Quantensimulator für Ladungsträger-Paare

Forschende am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) haben mit Hilfe einer Quanten­simulation Paare von Ladungsträgern sichtbar gemacht, die möglicherweise für den widerstandslosen Stromtransport in Hoch­temperatur-Supraleitern sorgen. Bislang sind die genauen physika­lischen Mechanismen in diesen komplexen Werkstoffen noch weitgehend unbekannt. Theorien gehen davon aus, dass die Ursache für die Paarbildung und damit für das Phänomen der Supraleitung in magnetischen Kräften liegt. So entstandene Paare konnte das Team in Garching nun zum ersten Mal experi­mentell nachweisen. Die Grundlage dafür bildete eine gitter­förmige Anordnung von kalten Atomen sowie ein trickreiches Unterdrücken der Bewegung freier Ladungsträger.

Seit der Entdeckung von Hoch­temperatur-Supraleitern vor rund vierzig Jahren versuchen Wissenschaftler, deren grundlegenden quanten­physikalischen Mechanismen auf die Spur zu kommen. Doch immer noch geben die komplexen Materialien Rätsel auf. Die neuen Erkenntnisse erlauben nun einen ersten mikroskopischen Einblick in Prozesse, die unkonven­tionellen Supraleitern zu Grunde liegen können. Entscheidend für jede Art von Supraleitung ist die Bildung von fest verknüpften Paaren aus Ladungs­trägern – Elektronen oder Löchern, wie Orte fehlender Elektronen genannt werden. „Die Ursache dafür liegt in der Quanten­mechanik“, erklärt Sarah Hirthe: Jedes Elektron oder Loch trägt einen halbzahligen Spin. Auch Atome besitzen einen Spin. Aus quanten­statistischen Gründen können sich aber nur Partikel mit ganzzahligem Spin unter bestimmten Bedingungen widerstandlos durch ein Kristall­gitter bewegen. „Deshalb müssen sich Elektronen oder Löcher dazu paarweise zusammenfügen“, sagt Hirthe.

In konven­tionellen Supraleitern helfen Gitter­schwingungen, die Phononen, bei der Paarung. In nichtkonventionellen Supraleitern dagegen ist ein anderer Mechanismus wirksam – aber die Frage, welcher das ist, blieb bisher unbeantwortet. „In einer weit verbreiteten Theorie spielen indirekte magne­tische Kräfte eine entscheidende Rolle“, berichtet Sarah Hirthe. „Doch das ließ sich bislang nicht experimentell bestätigen.“ Um die Vorgänge in solchen Materialien besser zu verstehen, nutzten die Forschenden einen Quanten­simulator.

Dazu ordneten sie ultrakalte Atome im Vakuum mit Laserlicht so an, dass sie die Elektronen in einem vereinfachten Festkörpermodell, simulieren. Dabei arrangierten sich die Spins der Atome abwechselnd in entgegen­gesetzte Richtungen: Es entstand eine antiferro­magnetische Struktur, die charak­teristisch ist für viele Hochtemperatur-Supraleiter – und durch magne­tische Kräfte stabilisiert wird. Anschließend dotierte das Team dieses Modell, indem es weniger Atome im System zuließ, als es Plätze gibt. So gelangten Löcher in die gitterförmige Struktur.

Dem Team ist es nun gelungen zu zeigen, dass die magnetischen Kräfte tatsächlich zu Paaren führen. Dazu nutzten sie einen experi­mentellen Trick. „Bewegliche Ladungs­träger in einem für Hoch­temperatur-Supraleiter typischen Festkörper, unterliegen einem Wettstreit verschiedener Kräfte“, erklärt Hirthe. Zum einen haben sie den Drang, sich auszubreiten, also möglichst überall gleichzeitig zu sein. Das verschafft ihnen einen energe­tischen Vorteil. Zum anderen sorgen magnetische Wechsel­wirkungen für eine regelmäßige Anordnung der Spinzustände von Atomen, Elektronen und Löchern – und vermutlich auch die Bildung von Ladungs­träger-Paaren. Allerdings: „Die Konkurrenz der Kräfte hat es bisher verhindert, solche Paare mikroskopisch zu beobachten“, sagt Timon Hilker, der die Forschungs­gruppe leitet „Deshalb hatten wir die Idee, die störende Bewegung der Ladungsträger in einer Raum­richtung zu unterbinden.“

So konnten die magnetischen Kräfte weitgehend ungestört wirken. Die Folge: Löcher, die sich nahekamen, formten die erwarteten Paare. Um das zu beobachten, nutzte das Team ein Quantengas­mikroskop – eine Vorrichtung, mit der sich quanten­mechanische Prozesse detailliert verfolgen lassen. Darin zeigten sich bei hoher Dotierung nicht nur die Lochpaare. Es wurde auch deutlich, wie sie sich – durch abstoßende Kräfte – zueinander anordneten. „Die Resultate unterstreichen die Vorstellung, dass der Verlust des elektrischen Widerstands in nichtkonven­tionellen Supraleitern durch magnetische Kräfte verursacht wird“, sagt Immanuel Bloch, Direktor am MPQ und Leiter der Forschungs­abteilung Quanten-Vielteilchen­systeme.

„Das führt zu einem besseren Verständnis dieser außer­gewöhnlichen Materialien und zeigt einen neuen Weg auf, wie stabile Lochpaare auch bei sehr hohen Temperaturen entstehen können und so möglicher­weise die kritische Temperatur von Supraleitern deutlich erhöhen“, sagt Bloch. Die Forschenden planen nun neue Experimente an komplexeren Modellsystemen, in denen große zweidimensionale Netze von Atomen miteinander verbunden sind. Damit, so die Hoffnung, werden mehr Lochpaare entstehen – und es wird sich auch deren Bewegung durch das Atomgitter beobachten lassen: der wider­standlose Stromtransport durch die Supraleit­fähigkeit.

MPQ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Hirthe et al.: Magnetically mediated hole pairing in fermionic ladders of ultracold atoms, Nature 613, 463 (2023); DOI: 10.1038/s41586-022-05437-y
• Quanten-Vielteilchensysteme, Max Planck Institut für Quantenoptik, Garching

Weitere Beiträge

• M. Oberthaler, Wie Quantensimulatoren neue Antworten geben können, Physik Journal, Mai 2020, S. 20 PDF
• Physik Journal Dossier: Supraleitung