Verborgene Ordnung im Quantenchaos: der Pseudogap

Supraleitung – also widerstandsfreier Stromtransport – beschäftigt die Forschung seit Jahrzehnten. In vielen Hochtemperatur-Supraleitern verläuft der Übergang zu diesem widerstandsfreien Fluss jedoch nicht plötzlich. Stattdessen gibt es zunächst eine ungewöhnliche Zwischenphase: den sogenannten Pseudogap-Zustand. Dieser geheimnisvolle Materiezustand tritt unmittelbar oberhalb der Temperatur auf, bei der bestimmte Materialien supraleitend werden. In dieser Phase reagieren Elektronen anders als erwartet und es stehen weniger elektronische Zustände für den Stromtransport zur Verfügung. Das Verständnis des Pseudogaps gilt als Schlüssel, um die Mechanismen der Supraleitung zu entschlüsseln und Materialien mit besseren Eigenschaften zu entwickeln.

Ein internationales Team unter Leitung von LMU-Physiker Professor Immanuel Bloch hat einen neuen Zusammenhang zwischen Magnetismus und der sogenannten Pseudogap-Phase entdeckt. Mithilfe eines Quantensimulators aus ultrakalten Atomen entdeckten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein universelles Muster in der Entwicklung von Magnetstrukturen beim Abkühlen des Systems. Damit rücken sie einem großen Rätsel der unkonventionellen Supraleitung näher. „Wir konnten so erstmals zeigen, wie mikroskopische Anordnungen der Teilchen ein universelles Verhalten aufzeigen, sobald man in die Pseudogap-Phase eintritt“, erklärt Immanuel Bloch. „Das war ein überraschendes und nicht erwartetes Verhalten.“ Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin PNAS veröffentlicht.

Normalerweise ordnen sich Elektronen in einem regelmäßigen magnetischen Muster an, das als Antiferromagnetismus bekannt ist: Benachbarte Elektronenspins zeigen dabei in entgegengesetzte Richtungen, wie Tänzer, die einem strengen Links-rechts-Rhythmus folgen. Werden jedoch Elektronen entfernt – diesen Vorgang bezeichnet man als Dotierung –, gerät diese Ordnung ins Wanken. Bislang dachte man, die magnetische Fernordnung sei damit zerstört. Die neue PNAS-Studie zeigt nun: Bei extrem niedrigen Temperaturen bleibt eine subtile Form der Organisation erhalten – verborgen unter der scheinbaren Unordnung.

Vom Chaos zur universellen Ordnung

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Das Team um Immanuel Bloch, Mitglied im Exzellenzcluster MCQST, untersuchte das Verhalten mithilfe des Fermi-Hubbard-Modells, einem bewährten theoretischen Modell für die Wechselwirkungen von Elektronen in Festkörpern. Statt mit realen Materialien zu arbeiten, setzten die Forschenden das Modell experimentell mit Lithiumatomen um. Diese kühlten sie auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und ordneten sie in einem präzise kontrollierten optischen Gitter aus Laserlicht an.

Solche Quantensimulatoren mit ultrakalten Atomen erlauben es, komplexe Materialien unter streng kontrollierten Bedingungen nachzubilden – was in klassischen Festkörperexperimenten kaum möglich ist. Mit einem Quantengasmikroskop, das einzelne Atome und ihre magnetische Ausrichtung sichtbar macht, nahm das Team 35.000 hochauflösende Bilder auf. Die Aufnahmen zeigen sowohl die Positionen der Atome als auch ihre magnetischen Korrelationen – über viele Temperaturen und Dotierungsgrade hinweg.

Das Ergebnis ist bemerkenswert: „Die magnetischen Korrelationen folgen einem einzigen universellen Muster, wenn man sie gegen eine bestimmte Temperaturskala aufträgt“, erklärt Erstautor Thomas Chalopin vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Mitglied im Exzellencluster MCQST. „Und diese Skala ist vergleichbar mit der Pseudogap-Temperatur, also dem Punkt, an dem der Pseudogap entsteht.“ Mit anderen Worten: Der Pseudogap ist eng mit den feinen magnetischen Mustern verknüpft, die sich hinter dem scheinbaren Chaos verbergen.

Die Studie zeigt zudem, dass Elektronen in diesem Regime nicht nur paarweise wechselwirken. Stattdessen bilden sie komplexe, vielteilige Korrelationsstrukturen. Schon ein einzelnes Dotieratom kann die magnetische Ordnung über überraschend große Bereiche stören. Anders als frühere Arbeiten, die meist nur Korrelationen zwischen zwei Elektronen betrachteten, erfasste die neue Studie Korrelationen von bis zu fünf Teilchen gleichzeitig – eine Detailtiefe, die weltweit nur wenige Labore erreichen.

Verborgene Ordnung sichtbar machen

Für die Theorie liefern diese Ergebnisse einen neuen Referenzpunkt. Sie helfen, Modelle des Pseudogaps zu überprüfen und weiterzuentwickeln. Außerdem rücken sie das Verständnis näher, wie Hochtemperatur-Supraleitung aus dem kollektiven Verhalten vieler „tanzender“ Elektronen entsteht. „Indem wir die verborgene magnetische Ordnung im Pseudogap sichtbar machen, zeigen wir einen Mechanismus, der letztlich mit Supraleitung zusammenhängen könnte“, sagt Chalopin.

Die Arbeit verdeutlicht auch, wie wertvoll die enge Zusammenarbeit von Experiment und Theorie ist. Erst durch die Kombination präziser theoretischer Vorhersagen mit hochkontrollierten Quantensimulationen wurden diese Muster erkennbar.

Die Studie ist das Ergebnis einer internationalen Kooperation, die experimentelle und theoretische Expertise vereint. Künftige Experimente sollen das System noch weiter abkühlen, nach neuen Ordnungsformen suchen und Wege entwickeln, Quantenmaterie aus bisher unerreichten Perspektiven zu beobachten.

Thomas Chalopin, Petar Bojović, Si Wang, Titus Franz, Aritra Sinha, Zhenjiu Wang, Dominik Bourgund, Johannes Obermeyer, Fabian Grusdt, Annabelle Bohrdt, Lode Pollet, Alexander Wietek, Antoine Georges, Timon Hilker, Immanuel Bloch: Observation of emergent scaling of spin-charge correlations at the onset of the pseudogap, PNAS 2026.