Elektronenrauschen verbindet die Pseudolücke eines Supraleiters mit der Paarbildung und rückt die Abstimmung in den Fokus

Ein schwaches elektrisches Signal weist auf ein fehlendes Puzzleteil hin

Elektronenpaare mit Energien von bis zu 70 Millielektronenvolt liefern Physikern einen neuen Hinweis auf ein Rätsel, das seit fast vier Jahrzehnten besteht: Warum verlieren Kupferoxid-Supraleiter ihren elektrischen Widerstand bei Temperaturen, die weit über denen herkömmlicher Supraleiter liegen? Durch Messungen winziger Schwankungen des elektrischen Stroms stellten die Forscher fest, dass die Paarbildung der Energie eines rätselhaften Merkmals namens Pseudolücke folgte, selbst wenn sich diese Energie über die Oberfläche eines Kristalls hinweg änderte.

Das Team unter Leitung von Milan Allan von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Ingmar Swart von der Universität Utrecht untersuchte gemeinsam mit Forschern aus Leiden und weiteren Einrichtungen ein Kupferoxid-Material namens BSCCO. Die Ergebnisse bringen die Pseudolücke mit der Bildung von Elektronenpaaren in Verbindung und lenken den Blick auf eine weitere Voraussetzung für Supraleitung: dass diese Paare gemeinsam agieren.

Die Studie von Jiasen Niu und Kollegen mit dem Titel Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature superconductor wurde laut der Forschungsmeldung der Universität am 5. November 2026 in Science veröffentlicht. Der DOI lautet 10.1126/science.adt3444. Das Experiment liefert ein genaueres Ziel für die Forschung an Materialien, die Strom bei höheren Temperaturen widerstandsfrei leiten.

Was die Pseudolücke bedeutet

BSCCO gehört zu einer Familie von Kupferoxid-Materialien, den Kupraten. Oberhalb der Temperatur, bei der diese Materialien supraleitend werden, zeigen Messungen in einem bestimmten Energiebereich weniger verfügbare Elektronenzustände. Physiker nennen diesen teilweisen Mangel eine Pseudolücke. Die Elektronen bleiben im Material, aber ihr Verhalten verändert, was Messgeräte erfassen können.

Seit Jahrzehnten konkurrieren zwei grundlegende Erklärungen. Elektronen könnten sich in Mustern anordnen, etwa in Ladungsdichtewellen, bei denen die elektrische Ladung eine sich wiederholende Struktur bildet. Oder die Elektronen könnten sich bereits zu Cooper-Paaren verbinden, dem mit Supraleitung verbundenen Paarzustand, bevor das Material Strom widerstandsfrei leiten kann.

Der Unterschied ist wichtig, weil er beeinflusst, woran Forscher arbeiten sollten. Wenn die Paare bereits existieren, besteht eine zentrale Herausforderung darin, sie in einen gemeinsamen Quantenzustand zu bringen. Die neuen Messungen rücken die Elektronenpaarbildung ins Zentrum der Pseudolücke, lassen aber Raum dafür, dass Ladungsmuster und Paarbildung gleichzeitig auftreten.

Paare statt einzelner Elektronen aufspüren

Die Forscher suchten nach Paaren, indem sie das Schrotrauschen maßen: winzige, zufällige Schwankungen, die dadurch entstehen, dass elektrische Ladung in einzelnen Portionen ankommt. Im Alltag wirkt ein Strom gleichmäßig, doch ein ausreichend empfindliches Messgerät kann seine mikroskopischen Unregelmäßigkeiten erfassen.

Allan, einer der Forschungsleiter, erläuterte das Prinzip anhand eines Vergleichs zwischen elektrischer Ladung und Regentropfen, die auf ein Dach fallen:

Stellen Sie sich vor, Regentropfen fallen auf ein Dach, und plötzlich werden die Tropfen doppelt so schwer. Dann nimmt das Rauschen zu.

Elektronenpaare tragen die doppelte Ladung einzelner Elektronen. Ihr Beitrag verändert das Rauschen des Stroms und ermöglicht es Forschern so, die Paarbildung nachzuweisen, statt sich allein auf Veränderungen der Zahl messbarer Elektronenzustände zu stützen.

Das Team verwendete ein Rastertunnelmikroskop, bei dem Strom zwischen einer extrem scharfen Spitze und einer Probe fließt. Durch das Verschieben der Spitze konnten Messungen an verschiedenen Stellen der Oberfläche vorgenommen werden. Über die Spannung ließ sich die untersuchte Energie auswählen. Zusammen erlaubten diese Stellgrößen den Forschern, die lokale Pseudolücke mit dem lokalen Paarungssignal zu vergleichen.

Vier Jahre Arbeit, um ein schwaches Signal hörbar zu machen

BSCCO stellte die Forscher vor eine anspruchsvolle Messaufgabe. In herkömmlichen Supraleitern kann die Paarbildung zu einer deutlichen Verdopplung des Schrotrauschens führen. Im Kuprat-Experiment trugen einzelne Elektronen neben den Paaren weiterhin zum Strom bei, wodurch das zusätzliche Rauschen viel schwächer ausfiel.

Studierende arbeiteten etwa vier Jahre daran, die Elektronik für die Erfassung dieses Signals zu verbessern. Die Forscher entwickelten und bauten die Geräte selbst. So erreichten sie die nötige Empfindlichkeit, um die Beiträge einzelner Elektronen und Elektronenpaare voneinander zu unterscheiden.

Allan beschrieb den Aufwand für das Messgerät:

Es gab keinen einzelnen Trick. Es war Elektronik-Handwerk.

Die Forscher mussten außerdem andere mögliche Ursachen für den schwankenden Strom untersuchen, darunter Bewegungen von Atomen an der Oberfläche. Es war entscheidend, festzustellen, wo das zusätzliche Rauschen auftrat, wie es sich von Ort zu Ort veränderte und wie es auf ein Magnetfeld reagierte.

Die Paarungsenergie folgte der Pseudolücke

Die BSCCO-Kristalle, die aus Bismut, Strontium, Calcium, Kupfer und Sauerstoff bestehen, wurden auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. An jeder untersuchten Stelle trat das zusätzliche, mit der Paarbildung verbundene Rauschen bei der lokalen Energie der Pseudolücke auf. Wo sich die Energie der Pseudolücke änderte, folgte ihr das Paarungssignal.

Bei einer Präsentation am 19. März 2025 beschrieb die Utrechter Forscherin Maialen Ortego Larrazabal auf dem APS Global Physics Summit Paarungsenergien von bis zu 70 Millielektronenvolt (meV). Im Abstract der APS-Präsentation wurde außerdem festgehalten, dass die Paarungsenergie im Material variierte. Als zugehöriges Preprint wurde arXiv:2409.15928 genannt.

Ein Millielektronenvolt ist eine Energieeinheit, mit der Prozesse auf der Ebene von Atomen und Elektronen beschrieben werden. Hier steht die Paarungsenergie für die Stärke des Paarzustands. Entscheidend war die enge Übereinstimmung dieser Energie mit der Pseudolücke, einschließlich ihrer lokalen Schwankungen.

Dieselbe Beziehung zeigte sich auch in Proben mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Damit fanden die Forscher den Zusammenhang wiederholt an verschiedenen Stellen der Oberfläche und in unterschiedlichen Proben, statt nur an einem einzelnen Punkt.

Ein Magnetfeld lieferte eine weitere Bestätigung

Die Forscher legten Magnetfelder von bis zu 6 Tesla an, um den Ursprung des zusätzlichen Rauschens zu überprüfen. Mit zunehmendem Feld und der damit verbundenen Unterdrückung des Paarungsbeitrags sank das Rauschen wieder auf ein Niveau, das den einzelnen Elektronen zuzuordnen ist. Das breite Muster der verringerten Zahl von Elektronenzuständen blieb dagegen weitgehend bestehen.

Diese Reaktion stärkte den Zusammenhang zwischen dem zusätzlichen Rauschen und der Elektronenpaarbildung. Eine Erklärung der Pseudolücke muss nun die Paarbildung ebenso berücksichtigen wie etwaige Ladungsstrukturen im Material.

Swart, Forschungsleiter an der Universität Utrecht, fasste die Schlussfolgerung so zusammen:

Welche detaillierte Erklärung der Pseudolücke auch immer zutrifft: Die Paarbildung muss dazugehören.

Ladungsdichtewellen könnten weiterhin mit dem Paarzustand verflochten sein. Nun gilt es zu erklären, wie diese Verhaltensweisen zusammenhängen und wie sie die Temperatur beeinflussen, bei der die Supraleitung einsetzt.

Warum die Paarbildung nur der erste Schritt ist

Für Supraleitung braucht es sowohl Elektronenpaare als auch Phasenkohärenz. Phasenkohärenz bedeutet, dass die Paare im gesamten Material einen geordneten Quantenzustand teilen. Ein einfacher Vergleich ist eine Tanzfläche: Jedes Paar kann sich gemeinsam bewegen, doch die gesamte Gruppe braucht weiterhin einen gemeinsamen Rhythmus.

In herkömmlichen Supraleitern setzen Paarbildung und kollektive Abstimmung gemeinsam bei der kritischen Temperatur ein, die oft mit Tc bezeichnet wird. Die Ergebnisse zu den Kupraten stützen eine andere Abfolge: Die Paarbildung ist mit einer höheren Energieskala verbunden, während sich kollektive Kohärenz erst einstellt, wenn das Material weiter abkühlt.

Swart erläuterte das Bild, das sich aus den Messungen ergibt:

Das Bild, das sich abzeichnet, ist also: Zuerst bilden sich Paare, und erst bei niedrigeren Temperaturen setzt die Phasenkohärenz ein.

Für Forscher, die Tc erhöhen wollen, rückt damit die Frage in den Vordergrund, wodurch die Paare aufeinander abgestimmt werden. Eine starke Paarbildung könnte Spielraum für eine höhere Übergangstemperatur schaffen, sofern das Material zugleich Kohärenz aufrechterhalten kann. Die Stärke der Paarbildung und der Beginn des koordinierten Verhaltens müssen daher getrennt untersucht werden.

Raumtemperatur als Ziel, doch eine Messlücke bleibt

In der Forschungsmeldung der Universität wird die Stärke der Paarbildung als ermutigend für die Suche nach Supraleitung bei Raumtemperatur dargestellt. Swart zufolge kann die Wechselwirkung, die die Paare zusammenhält, stark genug sein, um bei solchen Temperaturen zu bestehen. Damit dürfte die Phasenkohärenz der begrenzende Faktor sein.

Swart beschrieb diese Deutung in der Meldung so:

Der ‚Klebstoff‘, der die Paare zusammenhält, ist stark genug, damit sie auch bei Raumtemperatur zusammenbleiben.

Die direkten Rauschmessungen wurden bei sehr niedrigen Temperaturen durchgeführt. Mit steigender Temperatur nimmt die Empfindlichkeit der Methode ab, und das Team konnte das Paarungssignal nicht oberhalb von Tc messen, wo die Pseudolücke üblicherweise untersucht wird. Direkte Messungen in diesem wärmeren Bereich bleiben ein experimentelles Ziel; die Deutung im Hinblick auf Raumtemperatur stützt sich auf die gemessene Paarungsenergie.

Allan rechnet zudem damit, dass bei der Suche mehrere miteinander verbundene physikalische Effekte eine Rolle spielen und nicht nur eine einzelne Stellgröße. Um bei höheren Temperaturen Kohärenz zu erreichen, muss verstanden werden, wie Paarbildung, Ladungsmuster und weitere Materialeigenschaften einander beeinflussen.

Mit den nächsten Experimenten sollen Paarbildung und Abstimmung getrennt untersucht werden

Swart möchte Rauschkarten mit höherer räumlicher Auflösung erstellen und schließlich ein Messgerät entwickeln, das Phasenkohärenz direkt nachweist. Werden beide Eigenschaften getrennt gemessen, könnte sich zeigen, wo Paarbildung auftritt, wo Kohärenz entsteht und was sich beim Übergang zur Supraleitung ändert.

Messungen bei höheren Temperaturen sind eine weitere Priorität. Wird die Rauschmethode auf Temperaturen oberhalb von Tc ausgeweitet, könnten Forscher die Paarbildung direkt in dem Temperaturbereich untersuchen, der am engsten mit der Pseudolücke verbunden ist. Ein Termin für den Abschluss dieser Entwicklungen wurde nicht genannt.

Die Arbeit hat bereits mehrere öffentlich dokumentierte Etappen erreicht:

• 19. März 2025: Ortego Larrazabal präsentierte auf dem APS Global Physics Summit lokale Rauschmessungen und Paarungsenergien von bis zu 70 meV.
• 5. November 2026: Laut Forschungsmeldung der Universität wurde die Studie in Science veröffentlicht.
• Nächste Forschungsziele: räumliche Auflösung verbessern, Messungen auf höhere Temperaturen ausweiten und Phasenkohärenz direkt nachweisen.

Allan sieht auch in der Chemie und in Experimenten mit Unterstützung künstlicher Intelligenz einen Ansatz, um bessere Materialien zu finden. Das Verständnis der Physik kann vielversprechende Ziele aufzeigen, während die Herstellung und Prüfung neuer Zusammensetzungen zeigt, welche Kombinationen Tc tatsächlich erhöhen.

Der praktische Nutzen ist erheblich. Elektrischer Widerstand wandelt nutzbare elektrische Energie in Wärme um, während Supraleitung Strom ohne diesen Verlust fließen lässt. Für viele Supraleitungstechnologien ist die Kühlung weiterhin ein großer Aufwand. Ein Material, das bei höheren Temperaturen sowohl Paarbildung als auch Kohärenz aufrechterhält, könnte diesen Aufwand verringern. Der unmittelbare Fortschritt besteht jedoch darin, genauer zu verstehen, was Forscher messen und kontrollieren müssen.

Wichtige Punkte

• Forscher brachten die Pseudolücke in BSCCO mit der Elektronenpaarbildung in Verbindung, indem sie winzige Schwankungen des elektrischen Stroms maßen.
• Die Paarungsenergien erreichten 70 meV und variierten über die Oberfläche hinweg; sie folgten der lokalen Energie der Pseudolücke.
• Magnetfelder von bis zu 6 Tesla senkten das zusätzliche Rauschen auf ein Niveau, das sich dem der einzelnen Elektronen annäherte.
• Die Ergebnisse stützen ein Bild, in dem sich Paare bilden, bevor sie die für Supraleitung nötige kollektive Abstimmung erreichen.
• Das Experiment maß das Rauschen bei sehr niedrigen Temperaturen. Direkte Messungen oberhalb der Supraleitungs-Übergangstemperatur bleiben ein Ziel.
• Künftige Arbeiten konzentrieren sich auf Messungen bei höheren Temperaturen, detailliertere Karten und den direkten Nachweis von Phasenkohärenz.