Ohne die Ideen von Herbert Kroemer gäbe es keine Laser in CD- und Blu-ray-Spielern, keine schnellen Verstärker in Mobilfunkgeräten und Satellitenempfängern und keine heutige Glasfaserkommunikation in ihrer jetzigen Form. Kroemer, geboren am 25. August 1928 in Weimar und gestorben am 8. März 2024 in Kalifornien, schlug vor, Halbleiter aus verschiedenen Materialien schichtweise zu kombinieren. Für diese sogenannten Heterostrukturen erhielt er im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik. Er war ein Theoretiker mit ausgeprägtem Sinn für praktische Anwendungen und ein scharfer Kritiker kurzsichtiger Forschungspolitik.
Von Weimar nach Göttingen
Kroemer stammte aus einer Arbeiterfamilie. Sein Vater war bei der Stadt Weimar angestellt, die Mutter Hausfrau. Weder sie noch andere Verwandte hatten eine höhere Schule besucht. Nach dem Abitur begann er 1947 ein Physikstudium an der Universität Jena, die damals in der sowjetischen Besatzungszone lag. Während eines Ferienaufenthalts in Berlin 1948, zur Zeit der Berliner Blockade, entschloss er sich, nicht nach Jena zurückzukehren. Er verließ die abgeriegelte Stadt mit einem Flugzeug der Luftbrücke in den Westen. Er setzte sein Studium in Göttingen fort und wurde dort 1952 mit einer theoretischen Arbeit über sogenannte heiße Elektronen in den damals neuen Transistoren promoviert.
Forschung in Deutschland und den USA
Nach der Promotion arbeitete Kroemer im Fernmeldetechnischen Zentralamt der Bundespost in Darmstadt an Transistoren. Er fand dort jedoch wenig Spielraum und ging 1954 in die Vereinigten Staaten, zunächst zum Elektronikkonzern RCA in Princeton, später zu Varian Associates in Palo Alto. Ab 1968 lehrte er an der University of Colorado und von 1976 an der University of California in Santa Barbara, wo er bis zu seinem Lebensende blieb.
Das Problem: Grenzen eines einzigen Materials
Transistoren und andere Halbleiterbauteile bestanden in den 1950er-Jahren aus einem einzigen Material, meist Germanium oder Silizium. Durch gezielte Verunreinigungen wurden darin Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften erzeugt. Doch das Grundmaterial blieb überall gleich, und damit auch der Abstand zwischen den Energiebereichen, in denen Elektronen sich frei bewegen können oder gebunden sind. Physiker sprechen von der Bandlücke. Dieser Umstand begrenzte, wie schnell ein Transistor schalten und wie effizient ein Bauteil Licht erzeugen konnte. Silizium etwa ist für viele Zwecke hervorragend geeignet, kann aber kaum Licht aussenden. Für Laser und schnelle Verstärker waren deshalb andere Materialien gefragt, vor allem Verbindungen wie Galliumarsenid.
Die Lösung: Schichten aus verschiedenen Halbleitern
Kroemer schlug 1957 vor, Transistoren aus zwei verschiedenen Halbleitern zusammenzusetzen, deren Bandlücken sich unterscheiden. An der Grenzfläche, der Heterostruktur, entstehen dann eingebaute Kräfte, die Elektronen in eine bestimmte Richtung lenken oder ihnen den Rückweg versperren. Auf diese Weise ließen sich Transistoren bauen, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten. Solche Heterobipolartransistoren stecken heute in Mobilfunkgeräten, Satellitenverbindungen und Radaranlagen.
1963 übertrug Kroemer die Idee auf den Laser. Die ersten Halbleiterlaser funktionierten nur bei sehr tiefen Temperaturen und mit kurzen Strompulsen, weil die Elektronen und die Lichtteilchen sich zu stark verteilten. Kroemer schlug vor, eine dünne Schicht eines Halbleiters mit kleiner Bandlücke zwischen zwei Schichten mit größerer Bandlücke einzubetten. Diese Doppelheterostruktur sollte die Ladungsträger in der mittleren Schicht wie in einer Falle einschließen, sodass sie dort effizient Licht erzeugen. Unabhängig davon kam der sowjetische Physiker Schores Alfjorow in Leningrad zu einem ähnlichen Konzept.
Kroemers Arbeit wurde von der Fachzeitschrift Applied Physics Letters abgelehnt und erschien schließlich in den Proceedings of the IEEE. Seine Arbeitgeber zeigten wenig Interesse, die Idee weiterzuverfolgen, weil man keine Anwendung sah. Es dauerte bis 1970, bis Gruppen in der Sowjetunion und in den USA Halbleiterlaser bauten, die bei Raumtemperatur dauerhaft arbeiteten. Sie beruhten auf dem Prinzip der Doppelheterostruktur.
Der Nobelpreis 2000
Die Akademie teilte den Nobelpreis für Physik 2000 auf. Eine Hälfte erhielt Jack Kilby für seinen Anteil an der Erfindung des integrierten Schaltkreises. Die andere Hälfte teilten sich Schores Alfjorow und Herbert Kroemer, sinngemäß für die Entwicklung von Halbleiter-Heterostrukturen, die in der Hochgeschwindigkeits- und Optoelektronik verwendet werden. Der Preis würdigte damit Grundlagen der Informationstechnik, die den Alltag von Milliarden Menschen prägen.
Warum Licht aus Halbleitern so wichtig ist
Ein Halbleiterlaser ist kaum größer als ein Sandkorn. Er wandelt elektrischen Strom direkt in Laserlicht um und lässt sich millionenfach in der Sekunde ein- und ausschalten. Genau diese Eigenschaft macht ihn zum idealen Sender für Glasfaserleitungen, über die heute der größte Teil des weltweiten Datenverkehrs läuft. Auch Leuchtdioden, die in Lampen und Bildschirmen stecken, beruhen auf Heterostrukturen, in denen Ladungsträger in dünnen Schichten eingeschlossen werden. Ohne den Einschluss in solchen Schichten wären diese Bauteile weit weniger effizient und würden zu viel Wärme erzeugen.
Kroemers Lemma
Die Erfahrung mit dem Doppelheterostrukturlaser prägte Kroemers Haltung zur Forschungspolitik. Er formulierte daraus einen Grundsatz, der als Kroemers Lemma der neuen Technik bekannt wurde: Die wichtigsten Anwendungen einer wirklich neuen Technik ergeben sich nicht aus bestehenden Anwendungen, sondern werden durch die neue Technik erst geschaffen. Wer, wie seine damaligen Vorgesetzten, eine neue Idee danach beurteile, ob sie für bekannte Zwecke nützlich sei, werde ihre Bedeutung fast immer unterschätzen. Niemand habe 1963 die CD, das Glasfaserkabel oder den Laserdrucker vorhersehen können. Kroemer warnte deshalb davor, Grundlagenforschung zu eng an kurzfristigen Nutzen zu binden.
Weitere Beiträge
Kroemer beschäftigte sich auch mit dem sogenannten Gunn-Effekt, bei dem in bestimmten Halbleitern spontane Stromschwingungen bei sehr hohen Frequenzen auftreten. Er lieferte eine theoretische Erklärung des Effekts, der in Mikrowellenquellen genutzt wird. In Santa Barbara wandte er sich verstärkt dem Experiment zu. Er nutzte die Molekularstrahlepitaxie, ein Verfahren, mit dem sich Halbleiterkristalle Atomlage für Atomlage aufbauen lassen, und untersuchte Kombinationen neuer Materialien, darunter Strukturen, in denen Halbleiter mit Supraleitern verbunden werden.
Als Hochschullehrer verfasste er ein Lehrbuch über Quantenmechanik für Ingenieure und Materialwissenschaftler sowie gemeinsam mit Charles Kittel eine Einführung in die Thermodynamik. Studierende schätzten seine Fähigkeit, komplizierte Zusammenhänge mit einfachen Bildern zu erklären, etwa mit Energielandschaften, durch die Elektronen wie Kugeln rollen.
Kritik und Einordnung
Die Teilung des Preises mit Alfjorow galt allgemein als angemessen, da beide unabhängig voneinander zu ähnlichen Ideen gekommen waren und Alfjorows Gruppe in Leningrad die ersten funktionsfähigen Laser bei Raumtemperatur baute. Diskutiert wurde eher, ob weitere Forscher, die an der experimentellen Umsetzung in den USA beteiligt waren, etwa bei Bell Labs, ebenfalls eine Würdigung verdient hätten. Bemerkenswert ist, dass zwei der drei Preisträger des Jahres eher als Ingenieure denn als Physiker im klassischen Sinn galten. Der Preis verdeutlichte damit, dass die Akademie auch technische Durchbrüche würdigt, sofern sie auf neuer Physik beruhen.
Späte Jahre
Kroemer blieb über Jahrzehnte in Santa Barbara aktiv, auch nach seiner Emeritierung. Er ermutigte junge Forschende immer wieder, sich nicht von der Frage nach dem unmittelbaren Nutzen ihrer Arbeit abschrecken zu lassen. Er starb im Frühjahr 2024 in Kalifornien im Alter von 95 Jahren. Sein Werk ist in fast jedem elektronischen Gerät enthalten, das Licht erzeugt oder Signale bei hohen Frequenzen verarbeitet, vom Laserpointer bis zur Basisstation eines Mobilfunknetzes.
Stand: 29.10.2026