Heiße Spuren

Allerdings: Erfolgreich waren die Forscher nicht, wie 40 Jahre zuvor prognostiziert, an ultrakaltem Helium, sondern an Atomen des Lanthanoid-Metalls Dysprosium. Die verhalten sich wie kleine Magnete, weshalb sie sich durch eine Kombination von Laserlicht und bestimmten Magnetfeldern zu einem Suprafestkörper machen ließen. Dass es sich bei dem in einem Wechselspiel von anziehenden und abstoßenden Kräften geformten Gebilde tatsächlich um die gesuchte, exotische Materieform handelte, verriet dem Team um Tilman Pfau die Existenz zweier verschiedener Arten von Schallwellen – je eine für die beiden überlagerten Aggregatszustände.

Das erste Phasendiagramm eines suprafesten Stoffs – eine grafische Darstellung, die zeigt, bei welchen Umgebungsbedingungen die Substanz welchen Aggregatszustand annimmt – haben österreichische und dänische Wissenschaftler der Universitäten Innsbruck und Aarhus schließlich im Frühjahr 2023 im Fachmagazin Nature präsentiert.

Das Ende eines Forschungswettlaufs

Nun schlägt die Stunde der Quantensimulation, davon ist Johannes Zeiher, der am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching forscht, überzeugt. „Die Suprasolidität ist ein interessanter Forschungsbereich, der auch von seiner Geschichte her spannend ist“, meint der Physiker. Nachdem die absonderliche Materieeigenschaft durch theoretische Studien in gekühltem Helium vorhergesagt worden war, gab es dann auch Experimente dazu. Daran beteiligt waren unter anderem Wissenschaftler an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich sowie im Team von Physiknobelpreisträger Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA.

In den Experimenten hatten Forscher die Suprasolidität vermeintlich nachgewiesen. Doch es ließ sich zeigen, dass die Beobachtungen auf andere Weise erklärbar waren. Erst die Teams in Stuttgart und Innsbruck landeten einen Treffer.

Die Stunde der Quantensimulation

Nun gilt es herauszufinden, unter welchen allgemeinen Voraussetzungen ein Suprafestkörper entstehen kann und was die dafür notwendigen Materialeigenschaften sind. Die Suche nach den Antworten auf diese Fragen ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Und dabei könnte nun die Stunde der Quantensimulation schlagen. Denn in Quantensimulationen, die auf ultrakalten Atomen basieren, lassen sich teils ähnliche Bedingungen erzeugen wie in kaltem Helium. Die experimentellen Bedingungen dafür sind unter anderem bei den Teams an den Universitäten Innsbruck und Stuttgart vorhanden.

Und sie werden auch bereits genutzt. So gelang dem Team um Francesca Ferlaino in Innsbruck 2021 erstmals eine zweidimensionale Simulation eines Suprafestkörpers. Zuvor hatten die österreichischen Forscher bereits an eindimensionalen Modellen experimentiert.

„Der große Vorteil einer Quantensimulation ist, dass sich die Eigenschaften von Suprafestkörpern darin deutlich besser kontrollieren lassen als in gekühltem Helium“, erläutert Max-Planck-Forscher Zeiher. „Daher kann man zum Beispiel Systeme in einer oder zwei Dimensionen realisieren, in denen sich die Suprasolidität verstärken lässt.“ Solche Möglichkeiten habe man in einem realen System nicht. Zudem biete eine Quantensimulation die Option, bestimmte, theoretisch erwartete Eigenschaften wie das Formen von „Tropfen“ oder regelmäßige Schwankungen der Dichte direkt zu sehen.

Damit ist die noch junge Zustandsform des Suprafestkörpers ein gutes Beispiel dafür, wie Quantensimulationen zur Entdeckung neuartiger Materialien führen können – aber auch dafür, welches Potenzial sie bieten, um die teils ungewöhnlichen Eigenschaften solcher Stoffe genau unter die Lupe zu nehmen.

Zwar sind praktische Anwendungen für suprafeste Materialien bislang nicht in Sicht – zumal es sich dabei um eine typische Form von Quantenmaterie handelt, die ihr bizarres Verhalten nur unter den extremen Bedingungen unmittelbar am absoluten Nullpunkt zeigt. Dennoch betont Max-Planck-Physiker Zeiher die Bedeutung der Forschung daran: „Je mehr man über ein System weiß und versteht, desto bessere Vorhersagen über weitere Merkmale kann man machen“ – und so vielleicht den Pfad zu anderen neuen Stoffen ebnen, von denen manche mehr Relevanz auch für Anwendungen haben.

Widerstandslos bei Raumtemperatur?

Ähnliche Ziele verfolgen die Forscher mit der Simulation von Substanzen, die – unter Umständen – supraleitend sind. Solche Stoffe sind bereits seit 1911 bekannt, als der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes erstmals feststellte, dass flüssiges Helium beim Unterschreiten einer Temperatur von 4,2 Kelvin – das entspricht etwa minus 269 Grad Celsius – jeglichen Widerstand für einen elektrischen Strom verliert. Seither entdeckten die Wissenschaftler zahlreiche weitere Substanzen, die ebenfalls diese Eigenschaft besitzen. Doch bei den meisten davon zeigt sich die Fähigkeit zur Supraleitung, wie beim Helium, erst unterhalb von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt. Sie müssen deshalb erst aufwendig bis auf diese sogenannte Sprungtemperatur gekühlt werden, bevor der elektrische Widerstand verschwindet.

Anders ist das bei sogenannten Hochtemperatursupraleitern, deren Sprungtemperaturen deutlich höher liegen – wenn auch immer noch weit unter der normalen Raumtemperatur von etwa 20 Grad Celsius. Per Definition gelten alle Materialien als Hochtemperatursupraleiter, deren Sprungtemperatur über 13 Kelvin liegt – der höchsten bekannten Sprungtemperatur konventioneller Supraleiter. Seit der Entdeckung der Stoffklasse der Hochtemperatursupraleiter Mitte der 1980er-Jahre ist eines der großen Ziele der Materialforschung, einen Werkstoff zu entdecken, der auch bei Raumtemperatur einen widerstandslosen Stromtransport ermöglicht. Denn das würde die Chance bieten, elektrische Leitungen zu bauen, die vom hindurchfließenden Strom nicht erwärmt werden – und deshalb keine Energieverluste aufweisen. Mit den bislang bekannten, meist keramischen hochtemperatursupraleitenden Materialien ist eine technische Anwendung wegen der Notwendigkeit einer aufwendigen und teuren Kühlung nur eingeschränkt möglich. Solche Stoffe kommen daher fast nur dort zum Einsatz, wo starke Magnetfelder benötigt werden, die sich anders nicht erzeugen ließen, weil sich das Material der Magnetspulen zu stark erwärmen würde – zum Beispiel in Kernspintomografen und Teilchenbeschleunigern.

Zweifelhafte Erfolgsmeldungen

Pressemeldungen und wissenschaftliche Veröffentlichungen, die die Entdeckung eines bei normaler Umgebungstemperatur supraleitenden Materials versprachen, erwiesen sich bislang allesamt als falsch – oder zumindest als zweifelhaft (siehe bild der wissenschaft 12/2023, „Unidentifizierbare supraleitende Objekte“). Doch auch hier könnten die Resultate von Quantensimulationen die Forscher weiterbringen. Ein Manko ist bislang, dass den Physikern das Verständnis dafür fehlt, welche Vorgänge auf atomarer oder elektronischer Ebene zum Entstehen von Hochtemperatursupraleitung führen. Für die Erklärung der normalen Supraleitung, wie sie etwa Kamerlingh Onnes an Helium untersucht hat, gibt es seit mehreren Jahrzehnten eine in physikalischen Fachkreisen weitgehend anerkannte Theorie. Sie wird nach den Initialen der Nachnamen ihrer drei geistigen Väter, John Bardeen, Leon Neil Cooper und John Robert Schrieffer, meist kurz als BCS-Theorie bezeichnet. Demnach fügen sich im supraleitenden Zustand je zwei Elektronen zu einem sogenannten Cooper-Paar zusammen – unter dem Einfluss von bestimmten Schwingungen des Kristallgitters. Das führt zu einem Quantenzustand, bei dem die für den elektrischen Widerstand verantwortlichen Atome des Kristallgitters für die Elektronen quasi unsichtbar sind.

Bekannte Theorien versagen

Doch mit dieser Theorie lässt sich die Hochtemperatursupraleitung, die auch als unkonventionelle Supraleitung bezeichnet wird, nicht erklären. Zwar scheint auch da das Entstehen von Elektronen-Paaren eine wichtige Rolle zu spielen, doch wie diese zustande kommen, ist den Physikern noch rätselhaft. Alle theoretischen Erklärungsansätze, die bislang für die Hochtemperatursupraleitung entwickelt wurden, können keine vollständige Beschreibung des Phänomens liefern. Deshalb bauen die Forscher auch hier auf neue Erkenntnisse aus Quantensimulationen.

„Ziel ist, ein Verständnis der mikroskopischen Vorgänge bei der Hochtemperatursupraleitung zu erlangen“, sagt Zeiher. Dafür haben er und seine Kollegen atomare Modelle und experimentelle Methoden entwickelt, mit denen sich ein widerstandsloser Stromtransport bei relativ hohen Temperaturen in verschiedenen Materialien nachvollziehen lässt.

Hoffnung auf Materialien nach Maß

„Es ist zwar noch unklar, ob das tatsächlich die komplexen Prozesse in echten Hochtemperatursupraleitern abbildet“, stellt Zeiher fest. Doch die bisherigen Resultate der Quantensimulationen in Garching, München und anderswo liefern zumindest neue Hinweise für die Entwicklung einer passenden Theorie und legen eine heiße Spur zur Lösung dieses physikalischen Rätsels. Künftig, so die Hoffnung der Physiker, werden sich auf dieser Basis vielleicht supraleitende Materialien nach Maß kreieren lassen – ohne Widerstand auch bei Raumtemperatur und mit weiteren, für ihren Anwendungszweck wünschenswerten Eigenschaften. Das würde eine vielversprechende neue Perspektive für den verlustfreien Transport von elektrischem Strom und damit eine effizientere Energieversorgung eröffnen.

Ein Werkzeug für die Chemie

Unterstützung könnte die Technologie der Quantensimulation künftig auch für die chemische Industrie und die Pharmaforschung bieten. Denn auch chemische Reaktionen und die Entstehung von Molekülen sind quantenmechanische Vorgänge, die nach sehr komplexen Regeln ablaufen. Bei dem Versuch, sie im Computer nachzubilden oder vorherzusagen, sind klassische Rechenmethoden ebenso überfordert wie bei der Prognose von Festkörpereigenschaften. Das macht es für die Wissenschaftler schwierig, gezielt zum Beispiel nach den bestmöglichen Katalysatoren als Beschleuniger für chemische Produktionsprozesse zu suchen – oder nach geeigneten Werkstoffen für bessere Batterien.

Einen besonders großen Nutzen versprechen Erkenntnisse über das Entstehen spezifischer Merkmale von Molekülen aus Quantensimulationen für die Entwicklung neuer Medikamente. Denn dazu treiben Pharmaforscher bislang einen immensen experimentellen Aufwand, um unzählige potenzielle medizinische Wirkstoffe auf ihre tatsächliche Wirksamkeit sowie auf mögliche schädliche Nebenwirkungen zu testen.

„Auch die Wirkstoffe in Arzneimitteln sind Quantensysteme“, betont Johannes Zeiher. Damit sind sie auch ideale Kandidaten für Untersuchungen auf dem Teststand der Quantensimulation – um etwa solche Fragen zu beantworten: Welche chemischen Bindungen gehen bestimmte Moleküle ein? Welche funktionalen Molekülgruppen haben welche Eigenschaften? Und auf welche Weise kommen diese Eigenschaften zustande? „Eine interessante langfristige Fragestellung für Quantensimulationen ist zum Beispiel, inwieweit sich auch das Verhalten von kleinen Biomolekülen oder sogar von Proteinen damit untersuchen lässt“, sagt Zeiher.

Allerdings: Die großen und auf komplexe Weise aus vielen Bausteinen zusammengesetzten Wirkstoff-Moleküle lassen sich – anders als viele Atome – nur schwer in Lichtfallen einfangen, bändigen und manipulieren. Daher braucht es spezielle Konzepte und Techniken, um sie für eine Quantensimulation handhabbar zu machen. Ein solches Konzept beruht auf „Rydberg-Atomen“.

Ein solches Atom entsteht, indem sein äußeres Elektron etwa durch Laserlicht einer bestimmten Frequenz mit Energie gefüttert und dadurch so stark angeregt wird, dass es sich fast vom Atomrumpf löst. Auf diese Weise formt sich ein vergleichsweise riesiges Atom, das wegen des großen Abstands zwischen dem positiv geladenen Atomkern und dem negativ geladenen äußeren Elektron besondere elektrische Eigenschaften besitzt. Solche Rydberg-Atome gelten als Bausteine für mögliche künftige Quantencomputer, die auf neutralen Atomen basieren – und mit denen auch Berechnungen der Eigenschaften von Molekülen gelingen könnten.

Neue Medikamente und Katalysatoren

Auch wenn die Anwendung für die Quantensimulation von Biomolekülen wohl noch etliche Jahre in der Zukunft liegt – die Vision der Forscher ist es, auf diese Weise chemische Vorgänge zu imitieren – und damit eine Plattform zu schaffen für die gezielte Entwicklung von neuen Medikamenten, Katalysatoren und synthetischen Stoffen mit Eigenschaften, die es in der Natur nicht gibt. Doch bislang ist diese Entwicklung reine Grundlagenforschung.

Näher an der Anwendung sind Ergebnisse, die Sebastian Blatt am MPQ erzielt hat. Die Sparringspartner im Labor des Physikers: Atome in einem Gas aus Strontium. Dieses Element zeichnet sich durch einen besonders scharfen elektronischen Übergang aus. Das bedeutet: Die Frequenz von Licht, mit dem sich dieser Übergang anstoßen lässt – und das bei der Rückkehr des Atoms in den Ausgangszustand wieder ausgesandt wird, ist sehr genau bekannt. Da die Frequenz nichts anderes ist als ein Zeittakt, eignet sich Strontium bestens zur Entwicklung besonders präziser Atomuhren – viel präziser als heute verbreitete Cäsium-Uhren. An solchen Atomuhren wird geforscht – mit Quantensimulationen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…