Konstantin Nowosjolow

Konstantin Sergejewitsch Nowosjolow (* 23. August 1974) ist ein russisch-britischer Physiker. Er teilte sich 2010 mit Andre Geim den Nobelpreis für Physik für die Arbeiten zu Graphen.

Mit 36 Jahren war er einer der jüngsten Physiknobelpreisträger der Nachkriegszeit.

Werdegang

Nowosjolow wurde in Nischni Tagil im Ural geboren, einer Industriestadt mit Stahlwerken und Panzerbau. Er studierte wie Geim am Moskauer Institut für Physik und Technologie und kam 1999 als Doktorand zu ihm nach Nijmegen. 2001 wechselten beide an die University of Manchester, wo Nowosjolow 2004 promoviert wurde und heute eine Professur innehat.

Die Zusammenarbeit der beiden ist ungewöhnlich eng und dauert seit über zwanzig Jahren an. Geim hat Nowosjolow mehrfach als denjenigen bezeichnet, der die Geduld für die mühsamen Teile der Arbeit aufbrachte.

Der Nachweis, dass Graphen existiert

Die Klebebandmethode ist das bekannte Bild, aber sie war nur der erste Schritt. Die eigentliche wissenschaftliche Leistung bestand darin, zu zeigen, dass man tatsächlich eine einzelne Atomlage vor sich hatte — und ihre Eigenschaften zu vermessen.

Das war keineswegs selbstverständlich. Theoretische Arbeiten von Landau und Peierls hatten jahrzehntelang nahegelegt, dass ein streng zweidimensionaler Kristall bei Zimmertemperatur gar nicht stabil sein könne; die thermische Bewegung müsse ihn zerstören. Viele hielten die Suche danach für aussichtslos.

Der entscheidende Kunstgriff

Nowosjolows Beitrag lag in der Präparation und Vermessung.

Eine einzelne Kohlenstofflage ist praktisch durchsichtig — man sieht sie unter dem Mikroskop nicht. Der Kunstgriff war eine Siliziumoxidschicht von genau 300 Nanometern Dicke als Unterlage. Bei dieser Dicke erzeugt die Lichtinterferenz einen schwachen, aber erkennbaren Farbunterschied, sobald eine einzige Atomlage darauf liegt.

Damit ließ sich im gewöhnlichen Lichtmikroskop finden, was sonst nur mit großem Aufwand nachweisbar gewesen wäre. Ohne diesen Griff wäre die Klebebandmethode nutzlos geblieben, weil man das Ergebnis nicht hätte wiederfinden können.

Die Arbeit in Science vom Oktober 2004 wies dann den Feldeffekt nach: Die Leitfähigkeit der Schicht ließ sich durch eine angelegte Spannung steuern. Graphen verhielt sich wie ein Halbleiterbauelement.

Warum die Schicht doch stabil ist

Die Antwort auf das theoretische Bedenken ist so einfach wie schön: Graphen ist nicht wirklich flach. Es wellt sich in der dritten Dimension leicht auf, und diese Wellen stabilisieren die Schicht.

Genau diese Wellenbewegung ist es, an der die Arbeitsgruppe um Paul Thibado später ansetzte, als sie untersuchte, ob sich aus den thermischen Schwingungen freistehenden Graphens Strom gewinnen lässt — der Ratschen-Effekt.

Was bei Nowosjolow ein Beiprodukt der Stabilität war, wurde damit zu einer möglichen Energiequelle.

Weitere Arbeiten

Nowosjolow forscht seit Jahren an Stapeln zweidimensionaler Materialien — sogenannten van-der-Waals-Heterostrukturen. Man legt verschiedene Atomlagen wie Blätter aufeinander und erhält Eigenschaften, die keine der Lagen für sich hat. Bereits eine leichte Verdrehung zweier Graphenlagen gegeneinander verändert das Verhalten grundlegend.

Dieser Gedanke — Funktion durch Anordnung statt durch Stoffwahl — findet sich auch in der Neutrinovoltaik und in der Idee des Metamaterials wieder.

Seit 2012 ist er Ritter des britischen Empire; er forscht heute zusätzlich in Singapur.

Quellen

K. S. Novoselov, A. K. Geim u. a.: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306, 666 (2004).
A. K. Geim, K. S. Novoselov: The rise of graphene, Nature Materials 6, 183 (2007).