Hey Leute! Vielleicht habt ihr’s mitbekommen: Heute wurde der Physik-Nobelpreis verliehen! Und zwar fuer ein richtiges Hardcore-Physik-Thema: Fuer theoretische Entdeckungen von topologischen Phasenuebergaengen und topologischen Phasen von Materie. Wow. Wahrscheinlich klingt das fuer die meisten nach “danke, naechstes Video bitte”.
Ich versuch das jetzt aber mal, ein bisschen runter zu brechen und allgemein verstaendlich zu erklaeren, worum es hier so ganz grob geht und warum das die Welt verändern wird. Also, erst mal zu den Begriffen. Was ist ein Phasenuebergang? Ein Phasenuebergang ist, wenn ein Stoff ploetzlich seine Materialeigenschaften aendert. Die meisten kennen das typische Beispiel: Wasser wird zu Eis, wenn es abkuehlt.
Hier ist also ein phasenubergang im Aggregatzustand, wenn ich eine kritische Temperatur erreiche, nämlich den Gefrierpunkt. Es gibt auch andere Phasenuebergaenge, zum Beispiel bei Magnetismus. Ein Ferromagnet ist ueberhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr magnetisch. Das besondere an einem Phasenübergang ist, dass sich eine Eigenschaft eines Materials ganz schlagartig ändert - wenn ich meinen Magneten auf die Curie-Temperatur aufheize (das ist da nämlich die kritische Temperatur), dann ZACK ist der auf einmal nicht mehr magnetisch.
Das muss nicht immer von der Temperatur abhängen, das kann auch am Druck liegen oder an ganz anderen Sachen. Was die drei Forscher jetzt theoretisch gezeigt haben: Auch die elektrischen Eigenschaften von Materialien koennen solche Phasenuebergaenge vollziehen. Zum Beispiel der elektrische Widerstand. Da haben die Forscher gezeigt, dass der sich ganz plötzlich ändert, wenn ein bestimmtes magnetisches Feld anliegt. Also Phasenübergänge können zwischen allen möglichen Eigenschaften von Stoffen passieren: Fest/flüssig, magnetisch/nicht-magnetisch oder auch gut leitend/schlecht leitend.
Und es gibt bei jedem Phasenübergang eine kritische Größe: Temperatur, magnetische Flussdichte oder irgendwas anderes. Okay, so viel zum Thema Phasenuebergaenge. Jetzt taucht hier noch ein zweiter Begriff auf und zwar Topologie. Das kommt aus der Mathematik. Es geht um Eigenschaften von Materialien, die sich nicht aendern, wenn man ein Objekt auseinanderzieht, verdreht oder sonst wie deformiert.
Was koennte so eine Eigenschaft zum Beispiel sein …? Zum Beispiel die Anzahl der Loecher von irgendeinem Objekt. Thors Hansson vom Nobelpreis-Kommittee hat das versucht mit einer Brezel und einem Bagel zu demonstrieren. Der Bagel hat ein Loch, die Brezel zwei. Da kann ich drücken und ziehen - die Anzahl der Löcher bleibt gleich.
Die Forscher haben natuerlich hauptsaechlich nicht mit Brezeln experimentiert, sondern mit ganz ganz duennen Materialien. Da koennen naemlich auch solche Phasenuebergaenge auftreten - wenn die Dicke von Stoffen abnimmt, bis nur noch ein paar Schichten von Atomen aufeinander liegen. Und hier koennen jetzt so ne Art Loecher entstehen, so wie man das hier sehen kann. Das sind keine echten Loecher, sondern eher Wirbel im elektromagnetischen Die Anzahl und Art der Loecher bestimmt, welche Eigenschaften der Stoff hat.
Die drei haben also diese Tools der Topologie genutzt, um zu beschreiben, was bei so Stoffen abgeht. So ähnlich wie man Vektoren nutzt, um irgendwelche Aufgaben zu Kräften zu lösen. Topologie ist hier also einfach eine praktische Art, Phänomene zu beschreiben. In ihrer theoretischen Arbeit haben die Gewinner also erklärt, warum manche Materialien unerwartete oder ueberraschende elektrische Eigenschaften haben. Denn wenn die Temperatur sehr niedrig, formen sich solche Wirbel-Paare.
Das ist also ein topologisches Phaenomen. Und die Wirbel-Paare haben Einfluss auf die elektrische Leitfaehigkeit. Ein Schritt in Richtung Verstaendnis von Supraleitung. Das wird noch spannend und richtig wichtig, wenn es ums Thema Quantencomputer geht. Die Technologie dazu beruht nämlich auf ganz ganz grundlegenden Eigenschaften von Materialien - und wenn wir die besser verstehen, haben wir irgendwann geniale Rechenmaschinen.
Uebrigens: Eine ziemlich spannende Story zum Thema Phasenuebergaenge findet ihr hier! Da geht’s um Blitzeis. Das Video ist nominiert fuer den Fast Forward Science Award - wenn ihr mich supporten wollt, klickt drauf und klickt auf “gefaellt mir”. Das war’s mit meinem kleinen Nobelpreis-Update. Am Donnerstag gibt’s das naechste regulaere Video. Bis dann!
