Robert Laughlin hat erklärt, wie sich Elektronen in einem extrem starken Magnetfeld zu einer neuen Art von Quantenflüssigkeit zusammenschließen, in der scheinbar Teilchen mit einem Bruchteil der Elektronenladung auftreten. Geboren am 1. November 1950 in Visalia im US-Bundesstaat Kalifornien, erhielt der amerikanische Physiker 1998 den Nobelpreis für Physik gemeinsam mit Horst Störmer und Daniel Tsui. Die Begründung lautete sinngemäß: für die Entdeckung einer neuen Form von Quantenflüssigkeit mit Anregungen, die eine gebrochene Ladung tragen. Störmer und Tsui hatten den Effekt im Experiment gefunden, Laughlin lieferte die Theorie dazu.
Herkunft und Ausbildung
Laughlin wuchs in Visalia auf, einer Kleinstadt im landwirtschaftlich geprägten Central Valley Kaliforniens. Er studierte an der University of California in Berkeley und schloss 1972 mit einem Bachelor in Mathematik ab. Nach einem Militärdienst in der US-Armee promovierte er 1979 am Massachusetts Institute of Technology in theoretischer Physik. Anschließend arbeitete er an den Bell Laboratories in New Jersey, einem der führenden Industrieforschungslabore der Welt, und danach am Lawrence Livermore National Laboratory. 1985 wurde er Professor an der Stanford University.
Der Quanten-Hall-Effekt
Um Laughlins Leistung zu verstehen, hilft ein Blick auf den Hall-Effekt, den der Amerikaner Edwin Hall 1879 entdeckte. Fließt Strom durch eine dünne Metallplatte, die in einem Magnetfeld liegt, werden die Elektronen seitlich abgelenkt. Dadurch entsteht quer zum Strom eine elektrische Spannung, die Hall-Spannung. Normalerweise wächst sie gleichmäßig mit der Stärke des Magnetfelds.
1980 entdeckte der deutsche Physiker Klaus von Klitzing, dass das bei sehr tiefen Temperaturen, sehr starken Magnetfeldern und in extrem dünnen Schichten anders ist. Dort steigt der Hall-Widerstand in Stufen an, und die Stufen liegen bei Werten, die nur von Naturkonstanten abhängen, der Elektronenladung und dem Planckschen Wirkungsquantum. Dieser ganzzahlige Quanten-Hall-Effekt brachte von Klitzing 1985 den Nobelpreis ein. Die Stufen ließen sich mit dem Verhalten einzelner Elektronen im Magnetfeld erklären.
Eine Überraschung: Stufen bei Brüchen
1982 untersuchten Daniel Tsui und Horst Störmer an den Bell Labs besonders reine Halbleiterproben, in denen sich Elektronen nur in einer hauchdünnen Schicht bewegen konnten. Bei noch tieferen Temperaturen und noch stärkeren Magnetfeldern fanden sie neue Stufen, und zwar an Stellen, die einem Drittel der erwarteten Werte entsprachen. Später kamen weitere Brüche hinzu, etwa zwei Fünftel oder drei Siebtel. Das war rätselhaft, denn mit dem Bild unabhängiger Elektronen ließ sich das nicht erklären.
Laughlins Theorie
1983 veröffentlichte Laughlin eine Erklärung, die in ihrer Eleganz bis heute bewundert wird. Er erkannte, dass sich die Elektronen in diesem Zustand nicht mehr einzeln verhalten. Durch ihre gegenseitige Abstoßung und das starke Magnetfeld schließen sie sich zu einem gemeinsamen, hoch geordneten Quantenzustand zusammen, einer Art Flüssigkeit, die sich wie ein einziges Gebilde verhält. Laughlin schrieb eine mathematische Formel für diesen Zustand auf, die heute als Laughlin-Wellenfunktion bekannt ist. Sie beschreibt, wie die Elektronen einander geschickt ausweichen, um ihre Abstoßung möglichst gering zu halten.
Das Verblüffende ist, was passiert, wenn man diese Quantenflüssigkeit leicht stört. Dann entstehen Anregungen, die sich wie Teilchen verhalten und eine elektrische Ladung tragen, die genau ein Drittel der Elektronenladung beträgt. Das Elektron selbst zerbricht dabei nicht. Vielmehr ist die gebrochene Ladung eine Eigenschaft des kollektiven Verhaltens vieler Elektronen, ähnlich wie eine Welle in einem Stadion, die sich wie ein eigenständiges Objekt durch die Ränge bewegt, obwohl jeder Zuschauer nur kurz aufsteht. Physiker sprechen von Quasiteilchen. Ende der 1990er-Jahre konnten Experimente diese Bruchteilsladungen direkt nachweisen, unter anderem durch Messungen des elektrischen Rauschens.
Warum das wichtig ist
Der gebrochene Quanten-Hall-Effekt hat das Verständnis von Materie grundlegend erweitert. Er zeigte, dass in Systemen vieler wechselwirkender Teilchen völlig neue Eigenschaften entstehen können, die sich aus den Eigenschaften der einzelnen Bausteine nicht unmittelbar ablesen lassen. Die Quasiteilchen mancher dieser Zustände gehorchen außerdem einer ungewöhnlichen Statistik, die weder der von Elektronen noch der von Lichtteilchen entspricht. Solche sogenannten Anyonen gelten als mögliche Grundlage für besonders fehlerresistente Quantencomputer, sogenannte topologische Quantencomputer. Daran wird bis heute intensiv geforscht.
Das Konzept der topologischen Ordnung, das sich aus diesen Arbeiten entwickelte, ist eines der großen Themen der heutigen Festkörperphysik. Es spielte auch bei späteren Nobelpreisen eine Rolle, etwa 2016 für David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz.
Ein Gedankenexperiment als Schlüssel
Laughlin hatte sich schon 1981, also vor der Entdeckung des gebrochenen Effekts, mit dem ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt beschäftigt. Er stellte damals ein berühmtes Gedankenexperiment vor, das erklärt, warum die Stufen von Klitzings so erstaunlich genau sind, unabhängig von Verunreinigungen und Form der Probe. Man denkt sich die dünne Schicht zu einem Ring gebogen und verändert langsam den magnetischen Fluss durch seine Mitte. Dabei werden Elektronen von einer Kante zur anderen gepumpt, und zwar immer eine ganze Zahl von ihnen. Die Genauigkeit der Stufen folgt also aus einem grundlegenden Prinzip, nicht aus den Details des Materials.
Diese Sichtweise half ihm, auch den gebrochenen Fall zu verstehen. Hier werden bei einer vollen Änderung des Flusses nicht ganze Elektronen, sondern Bruchteile von Ladung bewegt, was genau zu den Quasiteilchen mit Drittelladung passt. Die Genauigkeit der Quanten-Hall-Stufen ist übrigens so hoch, dass sie in der Messtechnik genutzt wird: Der ganzzahlige Effekt dient weltweit als Normal für den elektrischen Widerstand.
Der Nobelpreis 1998
Das Nobelkomitee würdigte mit Störmer, Tsui und Laughlin ein Zusammenspiel von Experiment und Theorie, wie es in der Physik häufig, aber selten so schnell geschieht: Zwischen der Entdeckung und der theoretischen Deutung lag nur etwa ein Jahr. Laughlin war bei der Verleihung 48 Jahre alt.
Bemerkenswert ist zudem, dass die Entdeckung nur durch Fortschritte in der Materialherstellung möglich wurde. Die Proben von Störmer und Tsui stammten aus dem Labor von Arthur Gossard, der mit einer Methode namens Molekularstrahlepitaxie extrem reine Halbleiterschichten herstellte, Atomlage für Atomlage. Erst in solchen nahezu fehlerfreien Strukturen können sich die Elektronen so ungestört bewegen, dass ihr kollektives Verhalten sichtbar wird.
Emergenz und Streitlust
Nach dem Nobelpreis wurde Laughlin auch über die Fachwelt hinaus bekannt, vor allem durch sein 2005 erschienenes Buch „A Different Universe“, auf Deutsch „Abschied von der Weltformel“. Darin vertritt er die Ansicht, dass viele der wichtigsten Gesetze der Natur nicht aus den Grundgleichungen der Elementarteilchen folgen, sondern aus dem kollektiven Verhalten vieler Teilchen entstehen. Diese Idee der Emergenz stellt er der verbreiteten Vorstellung entgegen, alles ließe sich auf eine einzige Weltformel zurückführen. Er kritisierte dabei auch Teile der Teilchenphysik und der Stringtheorie, was ihm sowohl Zustimmung als auch Widerspruch einbrachte.
Von 2004 bis 2006 war Laughlin Präsident des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) in Südkorea. Seine Reformpläne, die unter anderem Studiengebühren und mehr Unterricht auf Englisch vorsahen, stießen auf Widerstand im Lehrkörper, und er verließ das Amt vorzeitig. Danach kehrte er nach Stanford zurück. Er hat sich außerdem in Büchern und Vorträgen mit Energie und der Zukunft fossiler Brennstoffe beschäftigt.
Einordnung
Laughlins Arbeit steht für eine wichtige Einsicht der modernen Physik: Das Ganze kann mehr sein als die Summe seiner Teile. Für Sie als Laie mag die Vorstellung einer Drittel-Elektronenladung paradox klingen, doch sie ist experimentell gut belegt und zeigt, wie viel Überraschendes in scheinbar bekannten Stoffen steckt. Die offizielle Begründung finden Sie auf der Seite zum Nobelpreis für Physik 1998.
Stand: 29.10.2026