Verborgene Ordnung im Quantenchaos: der Pseudogap

Ultrakalte Atome zeigen, wie feine Magnetmuster einen der rätselhaftesten Materiezustände prägen

Forschende haben einen Zusammenhang zwischen Magnetismus und der sogenannten Pseudogap-Phase entdeckt – einem geheimnisvollen Materiezustand, der unmittelbar oberhalb der Temperatur auftritt, bei der bestimmte Materialien supraleitend werden. Mithilfe eines Quantensimulators aus ultrakalten Atomen entdeckten die Wissenschaftler ein universelles Muster in der Entwicklung von Magnetstrukturen beim Abkühlen des Systems. Damit rücken sie einem großen Rätsel der unkonventionellen Supraleitung näher. Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht. Entstanden sind sie in einer Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik und dem Flatiron Institute der Simons Foundation.

Supraleitung – also widerstandsfreier Stromtransport – beschäftigt die Forschung seit Jahrzehnten. In vielen Hochtemperatur-Supraleitern verläuft der Übergang zu diesem widerstandsfreien Fluss jedoch nicht plötzlich. Stattdessen tritt zunächst eine ungewöhnliche Zwischenphase auf: der Pseudogap-Zustand. 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.

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

Das Team 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. „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.