Nobelpreislexikon

Den Nobelpreis für Physik 2003 teilen sich Alexei Abrikossow, Witali Ginsburg und Anthony James Leggett für ihre bahnbrechenden Arbeiten über Supraleiter und Suprafluide.

Die vielfach ausgezeichneten russischen Physiker Alexei Alexejewitsch Abrikossow (*1928 in Moskau) und Witali Ginsburg (*1916 in Moskau; †2009 in Moskau) forschten als Spezialisten im Bereich der Supraleitung lange Zeit in Moskau und später in den USA. Auf ihrem Gebiet fanden sie eine neue Supraleitung der 2. Art, dazu erweiterten sie die theoretische Erklärungsmodelle für die Supraleitung. Der englische Physiker Sir Anthony James Leggett (*1938 in Camberwell bei London, GB) ist Oxford-Absolvent und lehrte zuletzt an der Cornell-University (Ithaca, NY, USA).  Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf dem Gebiet des supraflüssigen Zustandes, wie er für Helium bekannt ist.

Hintergrund: Supraleiter und Supraflüssigkeiten bzw. Suprafluide sind spezielle Zustände der Materie, die als makroskopische Quantenzustände gelten können, wie sie für Bosonen mit ganzzahligem Spin gemäß Bose-Einstein-Statistik (vgl. Physiknobelpreis 2002) bereits 1924 vorausgesagt wurden.
Supraleitung liegt vor, wenn der elektrische Widerstand bei supraleitenden Stoffen ab einer bestimmten Temperatur T_c nahezu verschwindet und äußere Magnetfelder abgestoßen werden. Liegt die kritische Temperatur T_c oberhalb des Siedepunktes von Stickstoff (77,3 K bzw. -196°C), spricht man von Hochtemperatur-Supraleitern. Eine besonders augenscheinliche Eigenschaft ist das Schweben von Magneten über Supraleitern. Den bekanntesten Erklärungsansatz, der insbesondere für metallische Supraleiter gilt, liefert die BSC-Theorie, in der Elektronen sogenannte Cooper-Paare bilden.  Cooper-Paare haben einen Spin von Null und können als Bosonen angesehen werden.
Suprafluidität ist bislang für die Helium-Isotope ³H und ⁴H sowie für das Lithum-Isotop ⁶Li beobachtet worden und weist als bekannteste Eigenschaft ab einer bestimmten sehr tiefen Temperatur knapp über 0 K eine reibungslose Kriechfähigkeit, die für den supraflüssigen Zustand charakteristisch ist, auf. Im quantenmechanischen Erklärungsansatz auf Basis der Bose-Einstein-Statistik muss angenommen werden, dass das Helium-Isotop ³H sich ähnlich der Cooper-Paare der Elektronen bei der Supraleitung als dimere Einheiten, d.h. als Bosonen, verhalten. Es gibt dazu weitere Erklärungsansätze.

Weblinks (mit Bildern):
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2003/ (Seite der Nobelstiftung)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2003/press.html (Pressemeldung der Nobelstiftung)

Den Nobelpreis für Physik 2002 erhielten zur einen Hälfte Raymond Davis Jr. und Masatoshi Koshiba für ihre bahnbrechende Arbeiten in der Astrophysik, insbesondere für den Nachweis kosmischer Neutrinos. Die andere Häfte des Preises ging an Riccardo Giacconi, ebenfalls für bahnbrechende Arbeiten in der Astrophysik, dabei insbesondere für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlungsquellen.

Der amerikanische Chemiker Raymond Davis Jr. (*1914 in Washington D.C., USA;  †2006 in Blue Point, NY, USA ), von 1948 bis 1984 Forscher am Brookhaven National Laboratory (auf Long Island, NY) sowie schließlich Professor für Physik und Astronomie an der University of Pennsylvania, und der japanische Physiker Masatoshi Koshiba (*1926 in Toyohashi, Japan), Physikprofessor in Tokio, der 1987 am DESY in Hamburg arbeitete, entwickelten den experimentellen Nachweis von kosmischen Neutrinos. Die zweite Häfte des Nobelpreises ging an den italienischen Physiker Riccardo Giacconi (*1931 in Genua, Italien), zeitweise Professor für Astronomie an der Harvard University, in den 90iger Jahren  an der Universität in Mailand und Generaldirektor der Europäischen Südsternwarte in Garching bei München, zuletzt an der John-Hopkins-University in Baltimore (USA), für seine radioastronomischen Entdeckungen, insbesondere der Entdeckung von kosmischen Röntgenstrahlungsquellen wie die bereits 1962 entdeckte Röntgenstrahlenquelle Scorpius-X1 .

Spuren von Neutrinos aus beta-Zerfall in Blasenkammer

Hintergrund: Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen von so extrem geringer Masse, dass es lange Zeit für kaum möglich gehalten wurde, diese Teilchen experimentell nachzuweisen. Zur experimentellen Detektion von kosmischen Neutrinos bedarf es der Konstruktion aufwändig von anderen Strahleneinflüssen abgeschirmter Neutrinodetektoren (beispielsweise das GALLEX in Italien).

Weblinks (mit Bildern):
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/ (Seite der Nobelstiftung)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/press.html (Pressemeldung der Nobelstiftung)

Den Nobelpreis für Physik 2001 teilen sich Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman für die erstmalige Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats bei verdünnten Gasen aus Alkalimetallatomen sowie für grundsätzliche Studien über die Eigenschaften des Bose-Einstein-Kondensats.

Dem amerikanischen Physiker Eric Allin Cornell (*1961 in Palo Alto, Calif., USA), Absolvent der Stanford University und zuletzt Professor am Joint Institute for Laboratory Astrophysics (University of Colorado, USA), dem deutsche Physiker Wolfgang Ketterle (*1957 in Heidelberg), Professor am MIT (Massachusetts Institute of Technology) in Cambridge (USA), und dem amerikanische Physiker Carl Edwin Wieman (*1951 in Corvallis, Oreg., USA), seit 1987 Physikprofessor an der University of Colorado, gelangen im Jahr 1995 mittels einer magnetischen Falle die experimentelle Realisierung eines von Bose und Einstein bereits 1924 vorausgesagten makroskopischen Quantenzustandes, des sogenannten Bose-Einstein-Kondensats, an Gasen aus Alkalimetallatomen.

Hintergrund: Quantenmechanische Eigenschaften, etwa die Welleneigenschaft der Materie, lassen sich experimentell eigentlich nur im Mikrokosmos an Teilchen atomarer Größenordnung aufzeigen. Satyendranath Bose und Albert Einstein sagten 1924 für bestimmte Teilchen, den Bosonen, einen makroskopisch beobachtbaren Quantenzustand voraus. In diesem Zustand der Materie, dem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat, sind alle Bosonen-Teilchen ununterscheidbar und räumlich delokalisiert. Bosonen sind dabei Teilchen, die einen ganzzahligen Spin (quantenmechanischer Drehimpuls) aufweisen, wie beispielsweise alle Isotope von Atomkernen, die aus einer geradzahligen Summe aus Neutronen und Protonen bestehen. Neutronen und Protonen (und auch die Elektronen) wiederum sind sogenannte Fermionen und besitzen einen halbzahligen Spin.

Weblinks (mit Bildern):
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/ (Seite der Nobelstiftung)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/press.html (Pressemeldung der Nobelstiftung)

http://jila.colorado.edu/bec/CornellGroup/ (Seite der AG von Eric Cornell)

Den Nobelpreis für Physik 2000 teilen sich Herbert Kroemer und Schores I. Alfjorow für ihre Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiter im Bereich der Optoelektronik sowie Jack S. Kilby, dem Erfinder integrierter Schaltungen (IC), dem Vorläufer heutiger Mikrochips.

Der deutsche Physiker Herbert Kroemer (*1928 in Weimar), zuletzt Professor für Halbleiterphysik an der University of California, und der russische Physiker Schores Iwanowitsch Alfjorow (*1930 in Wizebsk, Weißrussland), zuletzt Direktor am Joffe-Institut in Sankt Petersburg, entwickelten als Spezialisten auf dem Gebiet der Halbleiterphysik die optoelektronische Nutzung von Halbleitern, beispielsweise in Halbleiterlasern. Die zweite Häfte des Nobelpreises ging an den amerikanischen Elektrotechniker und Ingenieur Jack S. Kilby (*1923 in Jefferson City, Miss., USA;  †2005 in Dallas, Texas, USA), der viele Jahre für den Hersteller Texas Instruments arbeitete, als den Erfinder der integrierten Schaltungen (IC) auf Halbleiterbasis, den Vorläufern der Mikrochips.

IC's bzw. Mikrochips auf Rechnerplatinen

Hintergrund: An der Grenze von n-dotiertem Halbleitermaterial zu p-dotiertem Halbleitermaterial können Elektronen unter Emission bestimmter Lichtwellenlängen von einem Energieniveau auf das andere springen. Dieser Effekt wird in speziellen Lasern auf Halbleiterbasis genutzt, wobei Information auf optoelektronischem Wege übertragen bzw. gelesen wird. Solche Laser werden beispielsweise in DVD-Playern, Laserdruckern und vielen weiteren elektrotechnischen Instrumenten eingesetzt.
Die Integrierte Schaltungen (IC)  von Jack Kilby nutzen Halbleiter auf Siliziumbasis zur Vereinigung verschiedener elektrischer Schaltungen wie Transistoren und Kondensatoren in einer Baueinheit auf engstem Raum. Die heutigen Mikrochips stellen die bislang am höchsten verdichtetste Form integrierter Schaltungen dar.

Weblinks (mit Bildern):
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2000/ (Seite der Nobelstiftung)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2000/press.html (Pressemeldung der Nobelstiftung)

http://www.ti.com/corp/docs/kilbyctr/jackstclair.shtml (Seite zu Jack Kilby bei Texas Instruments)

Den Nobelpreis für Physik 2009 teilen sich Charles Kuen Kao, für dessen bahnbrechenden Erfolge auf dem Gebiet der Lichtleitung mittels Fiberoptik für optische Kommunikation sowie Willard Sterlin Boyle und George Elwood Smith für die Erfindung des CCD-Sensors.

Der chinesische Physiker Charles Kuen Kao (*1933 in Shanghai, China), zuletzt als Spezialist für optische Datenübertragung der Direktor einer Forschungsabteilung des Technologiekonzerns ITT in England, gilt als einer der Pioniere der optischen Datenübertragung in Lichtleitern. Ihm gelang insbesondere auch das Problem des Datenverlustes in Lichtleitern (speziell Glasfasern) zu lösen. Der kanadische Physiker Willard Sterlin Boyle (*1924 in Amherst, Kanada) und der amerikanische Physiker George Elwood Smith (*1930 in White Plains, NY, USA), beide zuletzt Wissenschaftler bei den Bell Laboratories und Spezialisten in der Halbleiterforschung, erfanden den CCD-Sensor (CCD ist Abkürzung für: charge-coupled device), der als lichtempfindliches Halbleiterbauelement in allen digitalen Kameras steckt.

Hintergrund: Die optische Datenübertragung in Lichtwellenleitern wie Glasfasern bietet gegenüber elektrischen Leitern eine höhere Übertragungsdichte und Bandbreite an Informationen. Sie ist dazu kaum anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen von außen. Glasfasern für optische Datenübertragung bestehen aus einem Mantel von einem geringeren Brechungsindex als im lichtleitenden Faserkern. Die Lichtwellenleitung kann dann weitgehend verlustfrei erfolgen, wenn an der Grenze der unterschiedlich brechenden Medien mit den Brechzahlen n₂ und n₁ eine Totalreflexion erfolgt, dabei lässt sich Θ_c , der sogenannte Grenzwinkel der Totalreflektion, nach  Θ_c=arcsin(n₂/n₁) ermitteln (abgeleitet aus dem Brechungsgesetz von Snellius).
Bei CCD-Chips bzw. CCD-Sensoren werden proportional zur einwirkenden Lichtmenge Elektronen des Halbleiters freigesetzt und in Potentialmulden gefangen. Ein rechtzeitiges Auslesen dieses Zustandes ermöglicht dann die Darstellung des digitalen Bildes, wie man es von digitalen Kameras kennt.

Weblinks (mit Bildern):
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/ (Seite der Nobelstiftung)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html (Pressemeldung der Nobelstiftung)

http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Oral-History:Charles_Kao (Seite des Institute of Electrical and Electronic Engineers, kurz IEEE, über Charles Ken Kao mit Interview)