Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, den quantenmechanischen Prozess hinter der Supraleitung direkt abzubilden. Bei diesem Phänomen schließen sich Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen, wodurch elektrischer Strom bei ausreichend niedrigen Temperaturen ohne Widerstand fließen kann. Die Ergebnisse, über die das internationale Team in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters« berichtet, weichen dabei von den Vorhersagen der etablierten Theorie ab. Die Gruppe zeigt damit, dass diese Theorie offenbar nicht alle relevanten Aspekte vollständig erfasst.

Für ihre Experimente nutzte das Team ein extrem stark abgekühltes Fermi-Gas aus Lithiumatomen als Modellsystem für Elektronen in einem Supraleiter. Bei Temperaturen nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt paaren sich diese Atome ähnlich wie Elektronen in einem Supraleiter. Mithilfe einer neu entwickelten Bildgebungsmethode konnten die Forschenden nun erstmals die Positionen einzelner solcher Paare sichtbar machen.

Dabei zeigte sich ein unerwartetes Verhalten: Die gekoppelten Atome bewegten sich nicht unabhängig voneinander, sondern in einer Art synchronisiertem Tanz. Ihre Abstände zueinander waren korreliert – ganz so, als würden sich die einzelnen Paare gegenseitig ausweichen. Dieses kollektive Verhalten ist in der rund 70 Jahre alten BCS-Theorie der Supraleitung nicht vorgesehen, für die ihre Begründer und Namensgeber John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer einst den Nobelpreis für Physik erhielten.

»Unser Experiment zeigt, dass dieser Theorie qualitativ etwas Entscheidendes fehlt«, sagt Tarik Yefsah vom Laboratoire Kastler Brossel des französischen Forschungszentrums CNRS, der die Experimente leitete. Die BCS-Theorie beschreibe zwar, warum sich Elektronen paaren, mache aber keine Aussagen darüber, wie diese Paare miteinander wechselwirken. Genau diese Wechselwirkungen konnten jetzt direkt beobachtet werden.

Theoretische Physiker um Shiwei Zhang vom Flatiron Institute’s Center for Computational Quantum Physics in New York bestätigten die Ergebnisse mit aufwendigen numerischen Simulationen. Ihre Berechnungen reproduzierten die gemessenen Korrelationen zwischen den Paaren. Die neue Einsicht betrifft aber nicht nur klassische Supraleiter, sondern auch andere Materialien, die aus sogenannten Fermionen bestehen und deren Verhalten von Quantenprozessen bestimmt wird.

Langfristig könnten die Ergebnisse bei der Suche nach Supraleitern helfen, die bei deutlich höheren Temperaturen funktionieren. Zwar kennt man seit den 1980er-Jahren Materialien, die bereits bei rund minus 196 Grad Celsius supraleitend werden, doch ein umfassendes theoretisches Verständnis fehlt bis heute. Fortschritte in der Grundlagenforschung wie diese gelten als Voraussetzung, um eines Tages Supraleiter für den Alltag zu entwickeln – mit enormem Potenzial für verlustarme Stromnetze und leistungsfähigere elektronische Technologien.