Herbert Kroemer: Der Physiker, der unmögliche Geräte entwarf

Im Jahr 1963, während seiner Tätigkeit bei Varian Associates in Palo Alto, schlug Herbert Kroemer einen Laser vor, der aus geschichteten Lagen verschiedener Halbleiter bestand. Niemand konnte ihn bauen. Die erforderlichen Kristallwachstumstechniken existierten nicht und würden es auch jahrelang nicht tun. Er schlug ihn trotzdem vor. Sechs Jahrzehnte später ist der Doppel-Heterostruktur-Laser die Lichtquelle in Glasfasernetzen, CD-Playern und, wie es sein UCSB-Kollege John Bowers ausdrückte, das Gerät, das „das Internet ermöglicht und die Welt verändert hat“.

Von Weimar nach Göttingen

Er wurde am 25. August 1928 in Weimar in einen Haushalt ohne jegliche akademische Tradition hineingeboren: Sein Vater war Beamter, seine Mutter Hausfrau, und keiner von beiden hatte die High School abgeschlossen. Deutschland brach während seiner Jugend zusammen, und er kam aus dieser Zeit heraus in die Physik. An der Universität Göttingen machte er 1951 sein Diplom und 1952 seinen Doktor in theoretischer Physik. Er schrieb eine Dissertation über Heißelektroneneffekte in Transistoren – ein Thema, das erst fünf Jahre alt war, als er es wählte, da der Transistor selbst erst 1947 angekündigt worden war. Es war das erste Anzeichen für eine lebenslange Gewohnheit: sich Technologien zuzuwenden, bevor sie sich etabliert hatten.

Ein unruhiges Jahrzehnt in der Industrie

Kroemers Zwanziger- und Dreißigerjahre waren geprägt von Wechseln zwischen Industrielaboren auf zwei Kontinenten, ein Muster, das zerstreut wirkt, bis man bemerkt, dass er ständig an derselben Idee arbeitete. Er begann 1952 im Telekommunikationsforschungslabor der Deutschen Bundespost in Darmstadt. Mitte der 1950er Jahre wechselte er zu den RCA Laboratories in Princeton, New Jersey. Von 1957 bis 1959 war er im Philips-Forschungslabor in Hamburg tätig. 1959 zog er zu Varian Associates nach Palo Alto und blieb dort während des Jahrzehnts, das seine bedeutendste Arbeit hervorbrachte.

Auf diesem Weg erfand er den Drifttransistor, ein Gerät, das ein abgestuftes Störstellenprofil nutzte, um Ladungsträger schneller durch die Basis zu treiben, als es die Diffusion allein erlaubte. Es war der Beginn einer Idee, deren Ausarbeitung er eine ganze Karriere widmen würde: dass man die interne Landschaft eines Halbleiters so gestalten kann, dass sich Elektronen auf eine Weise verhalten, die die Natur nicht vorgesehen hatte.

Der Transistor, der zwei Materialien brauchte

Bei RCA erarbeitete Kroemer das Konzept des Heterostruktur-Bipolartransistors. Herkömmliche Halbleiterbauelemente werden aus einem einzigen Material hergestellt – Silizium, das in verschiedenen Regionen unterschiedlich dotiert ist. Kroemers Vorschlag bestand darin, zwei verschiedene Halbleiter miteinander zu verbinden, sodass die abrupte Änderung der Bandlücke an der Grenzfläche selbst als Kraft auf die Ladungsträger wirken würde, ein quasi-elektrisches Feld ohne externe Spannung. Mitte der 1950er Jahre identifizierte er die spezifischen Leistungsvorteile, die dies bringen würde. Das Argument war theoretisch sauber und praktisch verfrüht; die Materialwissenschaft, die nötig war, um atomar scharfe Übergänge zwischen ungleichen Kristallen herzustellen, war noch Jahrzehnte entfernt.

Ein Laser, den niemand bauen konnte

Der Vorschlag für die Doppel-Heterostruktur von 1963 war dieselbe Logik, angewandt auf Licht. Wenn man sowohl die Ladungsträger als auch die Photonen in einer dünnen aktiven Schicht zwischen zwei Mantelschichten mit größerer Bandlücke einschließt, so Kroemers Argument, erhält man einen Laser, der kontinuierlich bei Raumtemperatur statt in kryogenen Pulsen arbeiten kann. Es war das Designprinzip, das den Halbleiterlaser zu einem nutzbaren Objekt und nicht zu einer Laborkuriosität machte. Schores Alfjorow, der unabhängig in Leningrad arbeitete, verfolgte dasselbe Gebiet; im Jahr 2000 teilten sich die beiden Männer den Nobelpreis für Physik „für die Entwicklung von Halbleiter-Heterostrukturen, die in der Hochgeschwindigkeits- und Optoelektronik verwendet werden“.

1964 veröffentlichte Kroemer die erste korrekte Erklärung des Gunn-Effekts, des Mechanismus hinter hochfrequenten elektrischen Schwingungen in bestimmten Halbleitern – ein weiteres Beispiel dafür, dass er die Physik erreichte, bevor sich das Fachgebiet auf die Frage geeinigt hatte.

Santa Barbara und die Wette auf die Verbindungen

Er trat 1968 als Professor für Elektrotechnik an der University of Colorado Boulder in die akademische Welt ein und wechselte 1976 an die University of California, Santa Barbara, wo er den Donald W. Whittier Chair für Elektrotechnik innehatte, mit einer gemeinsamen Berufung in den Materialwissenschaften. Dort ging er ein institutionelles Wagnis ein, das so konträr war wie seine wissenschaftlichen: Er überzeugte eine Abteilung, in Verbindungshalbleiter – Galliumarsenid und seine Verwandten – zu investieren, anstatt in das Silizium, das alles dominierte. Er war das erste Mitglied einer Gruppe, die zu einer weltweit führenden wurde. Er wurde auch spät zum Experimentalphysiker, leistete Pionierarbeit bei der Molekularstrahlepitaxie an der UCSB und wandte sie auf Materialsysteme an, die niemand zuvor ausprobiert hatte, und baute schließlich die atomar präzisen Grenzflächen, die seine Theorie aus den 1950er Jahren vorausgesetzt hatte. Er ging 2012 in den Ruhestand.

Lehrer, Lehrbuchautor, Gentleman

Kroemer schrieb zwei Lehrbücher von ungewöhnlicher Klarheit: Thermal Physics, dessen zweite Auflage er 1980 mit Charles Kittel erstellte, und Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics. Kollegen erinnerten sich an einen Mann mit einem scharfen Sinn für Humor, der mit einem Grundschulbesucher genauso leicht über Physik sprach wie mit einem Doktoranden und der in Seminaren schwierige Fragen stellte, ohne dass sich die Antwort jemals wie ein Urteil anfühlte. Dekan Umesh Mishra verglich ihn mit einem Guru im indischen Sinne – jemand, der neben dem technischen Inhalt auch „Moral, Ethik, Führung, Anmut und Großzügigkeit“ vermittelt. Shuji Nakamura schrieb Kroemers Heterostruktur-Konzept die Ermöglichung seiner eigenen Erfindung der blauen LED zu. Kroemer wurde 2003 eingebürgerter US-Bürger und war ein offenherziger Atheist: Religion, sagte er, sei „nur Wunschdenken“.

Warum Herbert ein Genie genannt wird

Die besondere Fähigkeit hier ist die antizipatorische Bauelementphysik: die Fähigkeit, korrekt über das Verhalten einer Struktur nachzudenken, die noch nicht hergestellt werden kann, und zwanzig Jahre lang auf die Argumentation zu vertrauen, während alle anderen auf Beweise warten. Kroemer beschrieb die Veranlagung selbst, ohne falsche Bescheidenheit und ohne Brillanz zu beanspruchen: „Von Anfang an habe ich mich immer für Dinge interessiert, die mehrere Generationen voraus waren gegenüber dem, was die Leute tun konnten. Kleine Schritte haben mich nicht wirklich interessiert. Ich war an großen Schritten interessiert.“ Sein Rat an jüngere Kollegen folgte daraus – arbeite an dem, was dich interessiert, ignoriere Anwendungen, sei opportunistisch.

Was die Aufzeichnungen tatsächlich stützen, ist Urteilsvermögen statt roher Rechenleistung. Dreimal – der Heteroübergangstransistor, der Doppel-Heterostruktur-Laser, der Gunn-Effekt – identifizierte er das richtige physikalische Prinzip Jahre vor der Gemeinschaft und vor der Technologie. Das ist eine seltene Trefferquote, und das ist der Grund, warum das Nobelkomitee, die Jury der IEEE Medal of Honor im Jahr 2002 und der deutsche Staat mit seinem Großen Verdienstkreuz des Verdienstordens schließlich zustimmten.

Das Gegenargument ist ehrlich und erwähnenswert. Kroemer hat den Laser, für den er berühmt ist, nicht gebaut; Alfjorows Gruppe und Industrielabore leisteten das Kristallwachstum, das ihn real machte, und Alfjorow teilte sich den Preis aus gutem Grund. Ideen, die zwei Jahrzehnte lang nicht getestet werden können, sind billig zu erzeugen und teuer zu validieren, und Kroemers Bilanz enthält Vorschläge, die nur deshalb von Bedeutung waren, weil andere die Geduld hatten, sie zu verwirklichen. Kollegen griffen häufiger zu „Gentleman“ und „Guru“ als zu „Genie“. Das faire Urteil ist, dass er eine ungewöhnlich zuverlässige physikalische Intuition hatte und den Mut, sie früh zu veröffentlichen.

Vermächtnis

Jede Glasfaserverbindung, jeder Mobilfunk-Leistungsverstärker, jeder Satellitensender und jede LED-Birne basiert auf dem Prinzip, für das Kroemer eintrat, als niemand es umsetzen konnte: dass die Gestaltung der Bandlückenlandschaft innerhalb eines Geräts mächtiger ist als die Gestaltung des Geräts um ein einziges Material herum. Er starb am 8. März 2024 in Santa Barbara im Alter von 95 Jahren, nachdem er lange genug gelebt hatte, um zu sehen, wie eine Welt aus seinen Sandwiches gebaut wurde.