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Okay, stellen Sie sich das einmal mit mir vor.

Sie haben ein Material, das so weit abgekühlt wurde, dass es ein Supraleiter wird – das bedeutet, der Strom fließt wie Wasser durch ein Rohr, mit buchstäblich null Widerstand. Es tut einfach sein Ding, leitet perfekt, und dann erwärmen Sie es nur ein kleines bisschen. Die Supraleitung verschwindet.

Aber hier wird es merkwürdig.

Wissenschaftler der University of Illinois haben gerade den Beweis gefunden, dass etwas zurückbleibt. Etwas, das zurückgelassen wurde. Nicht die Supraleitung selbst, sondern das, was ich nur als ihren geisterhaften Fingerabdruck beschreiben kann.

Sie nennen es eine Paardichtewelle (pair density wave) – und nein, das ist kein Begriff aus dem Surfen.

Was passiert hier eigentlich?

Lassen Sie mich das so einfach wie möglich erklären.

In einem normalen Supraleiter machen es sich die Elektronen gemütlich und bilden Paare. Diese Paare nennt man Cooper-Paare (benannt nach dem Physiker Leon Cooper). Wenn diese Paare alle in denselben Quantenzustand kondensieren, entsteht dieser magische, widerstandsfreie Fluss, den wir Supraleitung nennen.

Normalerweise verteilen sich diese Paare gleichmäßig im gesamten Material. Stellen Sie sich das wie einen gleichmäßig verteilten Nebel aus Elektronenpaaren vor, die alle fröhlich gemeinsam ihr Ding machen.

Aber in bestimmten „unkonventionellen“ Supraleitern – und Uranditellurid ist einer davon – passiert etwas Seltsameres. Die Cooper-Paare beginnen, sich in Mustern anzuordnen. Wie Wellen in einem Teich, aber aus Elektronen bestehend. Das ist die Paardichtewelle.

Der wirklich bizarre Teil ist: Die Forscher fanden heraus, dass diese Muster selbst dann bestehen bleiben, wenn das Material seine Supraleitung verliert.

Die Cheshire-Cat-Analogie

Der Physiker Eduardo Fradkin beschreibt es als „das Grinsen der Cheshire Cat der Supraleitung“. Erinnern Sie sich an die Szene aus Alice im Wunderland – die Katze verschwindet, aber ihr Lächeln bleibt schwebend in den Bäumen zurück?

Genau das passiert hier.

Die Supraleitung verschwindet, wenn man das Material über seine kritische Temperatur erwärmt, aber die Muster der gepaarten Elektronen verschwinden nicht sofort. Sie verweilen noch eine Weile, wie ein Echo.

„Bei konventionellen Supraleitern bilden sich Cooper-Paare erst dann, wenn der vollständige Phasenübergang stattfindet“, erklärte Fradkin. „Aber in diesem System zeigt ihre Beobachtung in PDWs oberhalb des Übergangspunkts, dass sie bereits zuvor in einem anderen Zustand gebildet wurden.“

Dies wurde tatsächlich schon vor etwa 20 Jahren vorhergesagt, aber bisher hatte niemand einen überzeugenden experimentellen Beweis. Der Durchbruch gelang durch die Züchtung hochwertigerer Proben von Uranditellurid, die es den Forschern ermöglichten, Spektralsignaturen zu sehen, die exakt so reagierten, wie es die Theorie vorhersagte.

Warum sollte Sie das interessieren?

Eine berechtigte Frage. Die meisten von uns sind keine Physiker und verbringen unsere Dienstage nicht damit, über Mechanismen der Elektronenpaarung nachzudenken.

Aber hier ist der Punkt: Supraleitung ist eines der praktisch wichtigsten Quantenphänomene, die wir kennen. MRT-Geräte, Teilchenbeschleuniger, Quantencomputer – all das hängt von unserem Verständnis davon ab, wie sich Elektronen bei niedrigen Temperaturen verhalten.

Je mehr wir über unkonventionelle Supraleiter verstehen, desto näher kommen wir der Entdeckung oder Entwicklung von Materialien, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind. (Aktuelle Supraleiter benötigen extreme Kühlung, was für viele Anwendungen teuer und unpraktisch ist.)

Und ganz ehrlich? Das Universum ist einfach faszinierend. Den Beweis für etwas zu finden, das sich wie der Geist einer Materiephase verhält – das ist die Art von Entdeckung, die uns daran erinnert, wie viel wir noch nicht wissen.

Die Forscher konnten sogar zeigen, dass diese beständigen Muster sowohl auf Temperatur als auch auf Magnetfelder exakt so reagieren, wie es die Theorie vorhersagt. Das ist eine große Sache, denn Paardichtewellen sind berüchtigt dafür, schwer zu identifizieren zu sein. In einigen Experimenten können sie wie Supraleitung aussehen und in anderen wie etwas völlig anderes.

Dieser neue Beweis ist so nah an einer Bestätigung, wie die Wissenschaft kommen kann.

Das Fazit

Wir haben nun den direkten Beweis, dass Cooper-Paare Muster bilden können, bevor die Supraleitung vollständig einsetzt, und dass diese Muster überleben können, nachdem die Supraleitung selbst verschwunden ist.

Es ist nicht ganz Magie. Aber es kommt der Physik so nahe wie möglich.