Der Wahrheit so nahe kommen wie möglich
Der russische-amerikanische Quantenphysiker Eugene Demler beschäftigt sich mit den kleinsten Teilchen in unserer Welt. Für seine wegweisenden Arbeiten erhält er den Hamburger Preis für Theoretische Physik 2021. Über einen Forscher, der über die Rätsel der Quantenphysik nachdenkt, und dafür manchmal bewusst auf komplizierte Formeln verzichtet.
So gründlich wie Quantenphysiker schauen wohl nur wenige Menschen auf die Dinge um uns herum. Sie wollen verstehen, wie sich Atome, Elektronen und andere winzige Objekte verhalten, um beispielsweise Stoffe besonders leitfähig oder Computer besonders schnell zu machen. Obwohl Physiker noch immer über die Grundlagen der Quantenphysik diskutieren, ist sie längst in unserem Alltag angekommen. So sorgen Halbleiter in unseren Smartphones dafür, dass wir unterwegs schnell im Internet surfen, störungsfrei telefonieren oder – bei ausreichendem Empfang – an die entlegensten Orte der Welt auf den Meter genau navigieren können. Dabei folgen sie den Gesetzen der Quantenmechanik.

Eugene Demler, Physikprofessor in Harvard, forscht zu quantenmechanischen Systemen. Als Physikstudent in Moskau wollte er sich zu Beginn der 1990er Jahre eigentlich der Astrophysik widmen. Nach einem Gespräch mit dem späteren Nobelpreisträger Witali Ginsburg änderte er jedoch seine Pläne. Denn Ginsburg überzeugte Demler, dass es in der Welt der kleinsten Teilchen wesentlich mehr Unerwartetes zu entdecken gäbe als in der Astrophysik. Und so begann Eugene Demler, an der Supraleitung zu arbeiten, also der widerstandsfreien Übertragung von Energie, die sich nur mit der quantenmechanischen Bewegung vieler Elektronen erklären lässt.
In den 1990er Jahren ging Eugene Demler als Doktorand von Moskau an die Stanford-University in Kalifornien.
Sein Weg als Forscher führte ihn nach dem Studium in Moskau in die USA an die Stanford University in Kalifornien. Das war für junge russische Wissenschaftler seiner Generation nicht untypisch, erzählt er. Die Arbeitsbedingungen für Wissenschaftler in Russland seien damals extrem herausfordernd gewesen. „Wer in der Wissenschaft bleiben wollte, dem wurde schnell klar, dass man im Ausland deutlich produktiver arbeiten konnte. Viele haben deshalb Russland verlassen. Wer geblieben ist, ging meistens in die Wirtschaft. Viele meiner damaligen Kommilitonen sind heute erfolgreiche Unternehmer", so Demler. Er findet das nicht überraschend. Eugene Demler sieht viele Gemeinsamkeiten zwischen Unternehmensgründern und theoretischen Physikern: Beide brauchen Mut, um neue Felder zu erschließen, um neue Produkte zu entwickeln. Und beide müssen andere überzeugen können. Bei Unternehmensgründern sind das, so Demler, die Investoren, die eine Geschäftsidee finanzieren müssten. Und theoretische Physiker müssen am Ende ihre Kollegen aus der experimentellen Physik für sich gewinnen, um ihre Theorien im Labor zu überprüfen. Ob neue Geschäftsidee oder bahnbrechende Theorie: Am Ende, sagt Eugene Demler, verändern beide die Art, wie wir leben, arbeiten und die Welt um uns herum sehen.

Eugene Demler wechselte nach seiner Promotion in Stanford an die Ostküste nach Harvard. Dort wurde er im Jahr 2001, mit gerade einmal 30 Jahren, Assistenzprofessor und vier Jahre später Professor für Physik.
Über die Arbeit von Eugene Demler
Eugene Demler, forscht daran, stark korrelierte Quantensysteme besser zu verstehen. Seine Arbeit hat tiefgreifende Auswirkungen auf Bereiche wie Magnetismus, Supraleitung und Vielteilchenphysik mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. Demlers Erkenntnisse waren unter anderem maßgeblich für die Entwicklung von Quantensimulatoren auf der Grundlage ultrakalter Atome, die fundamentale Modelle der Physik der kondensierten Materie nachbilden. Diese Simulationen mit kalten Atomen haben zu neuem Wissen über Materialien geführt, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Dazu zählen sowohl Quantenmagnete als auch topologische Isolatoren und Supraleiter, die Elektrizität verlustfrei transportieren können.

Zur Pressemitteilung zur Verleihung des Hamburger Preises für Theoretische Physik an Eugene Demler
Enger Austausch mit experimenteller Physik
2014 erhielt Eugene Demler den Carl Friedrich von Siemens-Forschungspreis der Alexander von Humboldt Stiftung.
Eugene Demler ist theoretischer Physiker. Und dennoch ist seine Forschung undenkbar ohne den engen Austausch mit seinen Kolleginnen und Kollegen aus der experimentellen Physik. Versuche sind für ihn Inspiration und Motivation. Gerade wenn sie überraschende Ergebnisse liefern, fühlt er sich am stärksten angespornt, die passenden Theorien zu ihrer Erklärung zu entwickeln.

Theoretischer Physiker müssen zwei Dinge können, sagt Demler: „Man muss komplizierte Techniken der theoretischen Physik und Mathematik beherrschen, um komplexe Modelle zu berechnen. Genauso wichtig ist es aber auch, die grundlegenden Überlegungen hinter diesen Modellen nicht aus den Augen zu verlieren." Wenn er an einem theoretischen Problem arbeitet, kommt er selbst oft zuerst auf die physikalische Lösung, oftmals als Bild. Die mathematische Begründung folgt dann erst in einem zweiten Schritt.

Eugene Demler erzählt, dass er daher so gut wie überall forschen kann. Natürlich arbeitet auch er mit komplizierten Formeln an der schwarzen Tafel. Aber genauso erhellend kann eine Wanderung oder die Diskussion mit Kollegen im Café sein. Denn gerade dieser Austausch, findet er, führt zu Klarheit im Denken und in der Argumentation.

Die Neigung, theoretische und experimentelle Physik zu verbinden, geht auf seine Schulzeit zurück. Sein Physiklehrer zeigte im Unterricht gern Experimente und forderte seine Schüler auf, diese zu erklären. „Mir gefiel dieses Vorgehen so sehr, dass ich es seither immer wieder so mache", so Demler. Als Doktorand in Stanford arbeitete er bewusst intensiv mit experimentellen Physikern zusammen. Er merkte schnell, dass sie sich nicht von komplizierten Formeln beeindrucken ließen, im Gegenteil. Ihre Regel lautete: Die Hände bleiben in den Hosentaschen. Keine Anschriebe an der Tafel oder Notizen auf Papier waren erlaubt, um Ideen und Theorien vorzustellen. Demler sagt, er habe bei diesen Gesprächen gelernt, sich voll auf seine Argumentation und auf klare Gedanken zu konzentrieren.
Ein neuer Gradmesser für die Erfolgsmessung
Eugene Demler wechselt gern zwischen der theoretischen und der experimentellen Physik hin und her. Das hilft ihm, einen frischen Blick auf das Fach zu behalten, meint er. Dieses Herangehen hat ihm geholfen, neue Fragen zu stellen und andere Forschungswege einzuschlagen. Und worum geht es ihm dabei ganz grundsätzlich? Am Ende ist es für ihn wichtig zu verstehen, wie die Natur funktioniert und mit diesem Wissen neue Technologien zu entwickeln. Das erklärt zum Beispiel sein anhaltendes großes Interesse an Supraleitung. Bisher ist die experimentelle Forschung dazu immer noch vom Prinzip „ trial and error" geprägt. Demler hofft, dass seine Arbeit dazu führt, dass Forscher künftig vorhersagen können, welche Materialien sich für Supraleitung eignen. Und dabei gibt es für ihn vor allem ein Kriterium für Erfolg: das Verhältnis von Aufwand und Überraschung. Am erfolgreichsten ist die Arbeit, die bei möglichst geringem Aufwand das überraschendste Ergebnis hervorbringt.
An der ETH Zürich wird sich Eugene Demler auch mit Quantencomputern beschäftigen.
Im Herbst 2021 wird Eugene Demler an die ETH Zürich wechseln. Einer seiner Schwerpunkte dort wird die Forschung zu Quantencomputern sein. Sie sollen bestimmte Rechenoperationen deutlich schneller ausführen können als die leistungsfähigsten Computer, die wir heute kennen. Und auch die Supraleitung wird ihn nicht loslassen. Es gab in jüngster Zeit in Hamburg vielversprechende Experimente mit Lichtquellen, die Supraleitung bei bestimmten Materialien ermöglichen. Eugene Demler will versuchen, dafür die theoretische Erklärung zu liefern.
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik wird gemeinsam von der Joachim Herz Stiftung, dem Wolfgang-Pauli-Centre von DESY und der Universität Hamburg, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und den beiden Exzellenzclustern „CUI: Advanced Imaging of Matter" und „Quantum Universe" der Universität Hamburg verliehen.

Der Hamburger Preis für Theoretische Physik ist mit einem Preisgeld von 137.036 Euro ausgestattet und damit eine der höchstdotierten Auszeichnungen für Physik in Deutschland. Das Preisgeld ist eine Anspielung auf die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante, die in der Theoretischen Physik eine wichtige Rolle spielt. Der Preis wird seit 2010 verliehen. Die bisherigen Preisträger leisteten wegweisende theoretische Beiträge zum Beispiel zu Quantencomputern, Graphen oder zur Supraleitung.

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