Duncan Haldane: Der Theoretiker, der dreißig Jahre darauf wartete, geglaubt zu werden

Er veröffentlichte in den 1980er Jahren Arbeiten, die der konventionellen Lehrmeinung der Physik der kondensierten Materie so gründlich widersprachen, dass er Mühe hatte, sie überhaupt zu veröffentlichen. Drei Jahrzehnte später, nachdem andere Wissenschaftler schließlich Materialien herstellten, die die seltsamen Materiezustände aufwiesen, die er nur auf dem Papier modelliert hatte, erhielt Duncan Haldane den Anruf aus Stockholm. „Meine Arbeit war eine Art Geheimtipp“, sagte er danach mit charakteristischem Understatement. „Sie wurde erst zu einer großen Sache, als meine Arbeit von anderen erweitert wurde.“

Die ungewöhnliche Herkunft eines Physikers

Frederick Duncan Michael Haldane wurde am 14. September 1951 in London geboren. Er war der Sohn eines Arztes der britischen Armee, der Haldanes Mutter, Ljudmila Renko, eine slowenische Medizinstudentin, kennenlernte, während er nach dem Zweiten Weltkrieg nahe der jugoslawisch-österreichischen Grenze stationiert war – ein Hintergrund, der Haldane später die doppelte britische und slowenische Staatsbürgerschaft einbrachte, wobei letztere 2019 gewährt wurde. Er besuchte die St Paul's School in London, bevor er an das Christ's College in Cambridge ging, wo er sowohl seinen Bachelor-Abschluss als auch 1978 seinen Doktortitel erwarb. Er arbeitete unter Philip Warren Anderson, einem Physiker, der bereits seinen eigenen Nobelpreis für Arbeiten über ungeordnete und magnetische Systeme gewonnen hatte – ein passender Mentor, wenn man bedenkt, wohin Haldanes Karriere schließlich führen würde.

Theorie über Materie, die noch niemand gesehen hatte

Haldanes frühe Karriere führte ihn von 1977 bis 1981 an das Institut Laue-Langevin in Frankreich, dann an die University of Southern California und ab 1986 an die University of California, San Diego. Während dieser Zeit, hauptsächlich in den 1980er Jahren, produzierte er die theoretische Arbeit, die seine Karriere definieren sollte: die Anwendung der Topologie – ein Zweig der Mathematik, der sich mit Eigenschaften befasst, die bei kontinuierlicher Verformung erhalten bleiben, wobei das klassische Beispiel ist, dass eine Kaffeetasse und ein Donut äquivalent sind, weil jeder genau ein Loch hat – um das magnetische Verhalten von eindimensionalen Atomketten und die überraschenden Phasen zu beschreiben, in die Materie bei extrem niedrigen Temperaturen eintreten kann. Was als „Haldane-Vermutung“ bekannt wurde, sagte einen grundlegenden Unterschied im Verhalten zwischen Atomketten mit ganzzahligem und halbzahligem Quantenspin voraus, eine Unterscheidung, die damals fast zu seltsam erschien, um physikalisch real zu sein. Laut Princetons eigenem Bericht über sein Nobelpreisjahr „kämpfte Haldane darum, diese Arbeit zu veröffentlichen“, weil sie den festen Annahmen des Fachgebiets widersprach; es sollte Jahre dauern, bis andere Physiker tatsächlich Materialien mit den Eigenschaften synthetisierten, die seine Gleichungen beschrieben, damit die Bedeutung der Idee unbestreitbar wurde.

Princeton und Anerkennung

Haldane kam 1990 an die Princeton University und bekleidete schließlich die Eugene Higgins Professur und später die Sherman Fairchild University Professur für Physik, eine Position, die er immer noch innehat. Seine Forschung weitete sich über die Jahrzehnte auf Luttinger-Flüssigkeiten, den fraktionalen Quanten-Hall-Effekt, Verschränkungsspektrumanalyse, topologische Isolatoren und Chern-Isolatoren sowie geometrische Beschreibungen von Quanten-Hall-Phänomenen unter Verwendung dessen aus, was Spezialisten unimodulare räumliche Metrik-Tensorfelder nennen – technisches Gebiet, aber alles erweiterte dieselbe zugrunde liegende Erkenntnis, dass die Form der zugrunde liegenden Mathematik eines physikalischen Systems, nicht nur seine Energie, völlig neue Materiephasen bestimmen kann. Er wurde 1996 zum Fellow der Royal Society und ein Jahrzehnt zuvor der American Physical Society gewählt, zusammen mit der American Academy of Arts and Sciences, der American Association for the Advancement of Science und dem britischen Institute of Physics. Er erhielt 1993 den Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize und 2012 die Dirac-Medaille und wurde 2017 in die U.S. National Academy of Sciences gewählt.

Der Nobel-Anruf

Im Oktober 2016 teilte sich Haldane den Nobelpreis für Physik mit David Thouless von der University of Washington und J. Michael Kosterlitz von der Brown University „für theoretische Entdeckungen von topologischen Phasenübergängen und topologischen Phasen der Materie“, eine Arbeit, der die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften zuschrieb, ein völlig neues Forschungsfeld eröffnet zu haben, das abstrakte Mathematik mit realen Materialien verbindet, von dem das Preiskomitee anmerkte, dass es schließlich neue Generationen elektronischer Komponenten und Quantencomputer speisen könnte. Haldane erhielt den traditionellen Anruf am frühen Morgen aus Schweden gegen 4:30 Uhr morgens Princeton-Zeit und war nach eigener Aussage sowohl überrascht als auch erfreut – nicht zuletzt, weil so viel der zugrunde liegenden theoretischen Arbeit Jahrzehnte zuvor im Stillen geleistet worden war, bevor die experimentelle Physik sie einholte, und das Feld selbst nach seiner Beschreibung seitdem „explodiert“ war, als Wissenschaftler lernten, Materialien mit den exotischen Eigenschaften herzustellen, die er einst nur auf dem Papier modellieren konnte. Er lebt mit seiner Frau Odile Belmont in Princeton, New Jersey.

Warum Duncan als Genie bezeichnet wird

Das Argument für Genialität ist hier so sauber, wie es die Physik erlaubt: Haldane sagte mithilfe reiner Mathematik physikalische Phänomene voraus, die Experimentalphysiker erst Jahrzehnte später beobachten und bestätigen konnten, nachdem sie Materialien und Techniken gebaut hatten, die noch nicht existierten, als er die theoretische Arbeit leistete. Das kommt der klassischen Definition der theoretischen Physik in ihrer stärksten Form nahe – die Natur korrekt zu beschreiben, bevor die Natur sich selbst gezeigt hat. Der ehrliche Vorbehalt ist, dass Haldane nicht isoliert arbeitete: Er teilte den Preis mit zwei anderen Physikern, deren parallele Arbeit (Kosterlitz-Thouless-Übergänge) einen miteinander verflochtenen Körper der Theorie bildet, und der reale Einfluss des Feldes – praktische topologische Materialien und Geräte – befindet sich nach Haldanes eigener Aussage noch in einem relativ frühen Stadium, mehr Versprechen als gelieferte Technologie. Sein Genie ist mit anderen Worten besser als ungewöhnlich weitsichtige mathematische Modellierung zu beschreiben denn als sofortige weltverändernde Erfindung, die Art von Beitrag, deren Wert die wissenschaftliche Gemeinschaft erst nach dreißig Jahren vollständig registrierte.

Vermächtnis

Haldanes topologischer Rahmen ist seitdem zu einem der aktivsten Zweige der Physik der kondensierten Materie geworden und untermauert die laufende Forschung an Materialien, die eines Tages robustere Quantencomputer und Elektronik mit geringerem Stromverbrauch unterstützen könnten, gerade weil topologisch geschützte Zustände der Art von kleinen Störungen widerstehen, die gewöhnliche Materie stören. Seine Karriere steht als ungewöhnlich direkte Illustration der theoretischen Physik, die sich zu ihren eigenen Bedingungen bewährt hat: Eine Idee, die 1983 als zu seltsam galt, um leicht veröffentlicht zu werden, wurde 2016 als würdig für die höchste Auszeichnung der Wissenschaft erachtet.