Wir alle kennen die konventionellen Aggregatzustände – Feststoffe und Flüssigkeiten. Doch in der Quantenwelt kann sich Materie auf weitaus seltsamere Weise organisieren. Exotische Teilchen und Quantenzustände mit bemerkenswerten Eigenschaften, die unserer Alltagserfahrung widersprechen, sind möglich. Eines der bekanntesten Beispiele ist die Supraleitung, bei der elektrischer Strom ohne jeglichen Widerstand fließt. Ein anderes ist der fraktionierte Quanten-Hall-Effekt, bei dem sich Elektronen in Teilchen aufspalten, die nur einen Bruchteil der Elektronenladung tragen. In einer neuen Studie in Newton zeigen Forschende, wie beide Phänomene gleichzeitig auftreten können.
Bis vor Kurzem schienen Supraleitung und der fraktionierte Quanten-Hall-Effekt völlig unterschiedlichen Welten anzugehören. Supraleitung tritt normalerweise in Metallen auf, die nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden, während der fraktionierte Quanten-Hall-Effekt in starken Magnetfeldern entsteht. Doch zur Überraschung der Wissenschaftler wurden beide nun Seite an Seite im selben Material beobachtet.
Eine neue theoretische Studie von Wissenschaftlern der Harvard University und der Technischen Universität München liefert eine verblüffende Erklärung: Supraleitung kann direkt aus den exotischen Teilchen des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts entstehen, den sogenannten Anyonen. Anyonen verhalten sich nicht wie die bekannten Bausteine der Materie – Fermionen (wie zum Beispiel Elektronen) oder Bosonen (wie zum Beispiel Photonen). Stattdessen folgen sie eigenen Quantengesetzen und können einen Bruchteil der Ladung eines Elektrons tragen.
Die Wissenschaftler zeigen, dass sich unter den richtigen Bedingungen Paare dieser Anyonen miteinander verbinden können und so elektrischer Strom ohne Widerstand fließt – ein neuer Weg zur Supraleitung. Der Schlüssel, so die Autoren, liegt darin, dass dies geschieht, wenn sich das System nahe einem Phasenübergang zwischen zwei ungewöhnlichen Quantenphasen befindet: einer fraktionierten Quanten-Hall-Phase und einem neu vorgeschlagenen Zustand, in dem sich Anyonen in einem regelmäßigen Muster anordnen.
„Diese Arbeit enthüllt einen neuen Mechanismus für Supraleitung, der in fraktionalisierter Quantenmaterie verwurzelt ist“, erklärt Fabian Pichler, Doktorand an der Technischen Universität München und Co-Erstautor. „Sie verbindet zwei der faszinierendsten Entdeckungen der Physik und eröffnet neue Wege, Supraleitung in zweidimensionalen Materialien zu konstruieren.“
Indem die Studie aufzeigt, wie Supraleitung aus den Teilchen entstehen kann, die für die Fraktionalisierung verantwortlich sind, öffnet sie ein Fenster zur Entwicklung völlig neuer Quantenphasen – jenseits dessen, was die Natur bisher hervorgebracht hat.
Weitere Informationen
Die Forschung wurde unter anderem durch den Simons Investigator Award, die Simons Collaboration on Ultra-Quantum Matter (eine Förderung der Simons Foundation, 651440, A.V.), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie Deutschlands – EXC–2111–390814868, TRR 360 – 492547816 sowie DFG-Projekte Nr. KN1254/1-2, KN1254/2-1, den European Research Council (ERC) im Rahmen des EU-Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 (Fördervereinbarung Nr. 851161), die Europäische Union (Fördervereinbarung Nr. 101169765) sowie das Munich Quantum Valley, das vom Bayerischen Staatsministerium mit Mitteln aus der Hightech Agenda Bayern Plus unterstützt wird, unterstützt.
Publikation
F. Pichler, C. Kuhlenkamp, M. Knap, A. Vishwanath. Microscopic Mechanism of Anyon Superconductivity Emerging from Fractional Chern Insulators.
Newton. https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100340
Wissenschaftlicher Kontakt
Michael Knap
Professor für Kollektive Quantendynamik
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Deutschland
Tel. +49 89 289 53777
michael.knap(at)ph.tum.de
Ashvin Vishwanath
George Vasmer Leverett Professor of Physics
Harvard University
https://www.physics.harvard.edu/people/facpages/vishwanath
ashvin_vishwanath(at)fas.harvard.edu
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