9. Juni 2026

Foto: Electron Studios, UHH, AG Moritz

Eine Barriere aus Licht (rot) trennt ein ultrakaltes Gas (blau) in zwei Hälften. Durch den quantenmechanischen Tunneleffekt können die gepaarten Teilchen (pink) dennoch auf die andere Seite gelangen, wenn das Gas suprafluide ist.

Forschung mit „ultrakalten“ Gaswolken zeigt, unter welchen Bedingungen Suprafluidität — Fluss ohne Reibung — besonders stabil ist. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, das Verhalten einer ganzen Reihe von Quantensystemen besser zu verstehen. Der Text stammt aus dem neuen Magazin „Advanced Imaging of Matter: Sieben Jahre CUI im Fokus“ und schildert die experimentelle Arbeit zu Supraleitung und Supraflüssigkeit - Systeme, die in der modernen Physik von herausragender Bedeutung sind.

Suprafluidität ist eines der frappierenden Phänomene der Quantenmechanik. Unsere Alltagserfahrung lehrt uns, dass bei jeder Bewegung Reibung auftritt. Bei Suprafluiden dagegen können deren Bestandteile unterhalb einer bestimmten Temperatur völlig ohne Reibung fließen. Wenn es sich bei diesen Bestandteilen um Elektronen in einem Festkörper handelt, dann spricht man von Supraleitung. Supraleitung ist für die Anwendung besonders relevant, denn mit supraleitenden Kabeln lässt sich Energie komplett verlustfrei transportieren, womit beispielsweise in Kernspintomographen sehr hohe Magnetfelder erzeugt werden. Jedoch treten Supraleitung und Suprafluidität aktuell nur bei sehr kalten Temperaturen auf, und das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist noch unvollständig, was auch das Er -schließen von weiteren Anwendungsgebieten erschwert.

Um diese Lücken in unserem grundlegenden Verständnis der Suprafluidität zu schließen, arbeitet das Team um Prof. Henning Moritz mit Proben, die auf den ersten Blick nichts mit den Elektronen zu tun haben, die durch Festkörper fließen. Die Forscherinnen und Forscher kühlen nämlich mit Laserlicht Atome in einer Gaswolke auf Temperaturen von wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dadurch wird das Gas suprafluide. „In diesen ultrakalten Gasen können wir dann viele Eigenschaften verändern und die Atome direkt fotografieren – was im Festkörper nicht möglich ist“, erklärt Moritz.

Einblicke durch Quantensimulation

Die quantenmechanischen Prinzipien, die den Tanz der Atome durch die Lichtfelder choreographieren, sind aber in wichtigen Aspekten dieselben wie jene, die bestimmen, wie sich Elektronen in Materie bewegen. Dies bedeutet, dass sich Erkenntnisse vom äußerst flexiblen atomaren System auf andere Quantensysteme übertragen lassen, die weniger gut kontrolliert werden können. Diese Art der Nachbildung eines Quantensystems durch ein anderes ist als Quantensimulation bekannt. „Es ist beispielsweise möglich, einige tausend ultrakalte Atome so in Lichtfeldern einzufangen, dass sie sich wie Figuren auf einem Schachbrett nur in zwei Dimensionen bewegen können“, sagt Moritz. So konnten die Forscher etwa nachweisen, dass diese zweidimensionalen Gase suprafluide sind. Dazu bewegten sie störende Laserstrahlen durch das Gas, welche die Atome wie ein Löffel wegdrückten. Während Kaffee beim Rühren in Bewegung versetzt wird, konnte das Team zeigen, dass die Atome perfekt, also suprafluide, um die Laserstrahlen herumfließen und dabei keinerlei Reibung auftritt.

Darüber hinaus konnten die Forschenden untersuchen, unter welchen Bedingungen die Suprafluidität zerstört werden kann. Dazu veränderten sie den Kreuzungswinkel der Laserstrahlen und deren Energieunterschied, was ihnen erlaubte, die Eigenschaften des Suprafluids zu vermessen. „Besonders überraschend war unsere Beobachtung, dass die so entstandenen Suprafluide gleich stabil sind – egal, ob die Teilchen sich nur in zwei Raumrichtungen oder wie gewohnt in drei Raumrichtungen bewegen können“, erklärt Moritz' Doktorand Lennart Sobirey, der Erstautor der entsprechenden Publikationen. „Wichtig ist vielmehr, dass die Atome Paare bilden. Für die Stabilität scheint dabei ausschlaggebend zu sein, wie groß diese Paare im Verhältnis zum mittleren Abstand der Teilchen sind.“ Diese Erkenntnis ist höchstrelevant für das Verständnis der sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter – also den Supraleitern, die bei den höchsten Temperaturen noch verlustfreie Stromleitung aufweisen. Diese Temperaturen liegen aber immer noch deutlich unter – 100 °C. Die Materialien bestehen nämlich typischerweise aus zahlreichen zweidimensionalen Schichten und seit Jahrzehnten wird darüber debattiert, ob diese Schichtstruktur zentral für die hohen kritischen Temperaturen dieser Supraleiter ist.

Eine Fragestellung, viele Zugänge

Ein weiteres Beispiel für die Möglichkeiten, die sich mit ultrakalten Gasen eröffnen, ist die Beobachtung des sogenannten Josephson-Effekts, über den die Forscher in einer vielbeachteten Arbeit in der renommierten Zeitschrift Science berichten. Dazu trennten sie das Gas durch eine Barriere aus Licht wie mit einer Mauer in zwei Teile. Anders als man es im Rahmen der klassischen Physik erwarten würde, können die Atome durch den quantenmechanischen Tunneleffekt diese Barriere durchdringen, selbst wenn die Barriere höher ist als der Pegel der Gase. „Noch bemerkenswerter ist, dass dieser Teilchenstrom sogar dann fließen kann, wenn der Pegel auf beiden Seiten gleich hoch ist oder der Strom geringfügig bergauf fließen muss“, erklärt Niclas Luick, der Erstautor dieser Studie. „Dazu müssen die Flüssigkeiten auf beiden Seiten allerdings Suprafluide sein.“ Voraus-gesagt wurde dieses Phänomen vom britischen Physiker Brian Josephson noch während seiner Doktorarbeit 1962. Es ist von solch fundamentaler Bedeutung, dass er dafür 1973 den Physiknobelpreis erhielt. Getrieben wird dieser Strom ausschließlich durch die Wellennatur der Suprafluide. Er kann unter anderem dafür sorgen, dass das Suprafluid anfängt, zwischen beiden Seiten hin und her zu oszillieren.

Genau diese Josephson-Oszillationen scheinen auch zentral für die licht- induzierte Supraleitung bei Raumtemperatur zu sein, welche in der Arbeitsgruppe von Prof. Andrea Cavalleri beobachtet wurde. In einer Reihe von bahnbrechenden Arbeiten ist es seiner Gruppe weltweit erstmals gelungen, für kurze Zeit Supraleitung bei Raumtemperatur zu beobachten. Dafür hatten die Forschenden bekannte supraleitende Materialien kurzen Lichtimpulsen ausgesetzt (vgl. S. 14 im Magazin "Advanced Imaging of Matter - Sieben Jahre CUI im Focus"). Welchen Mehrwert die Kollaborationen innerhalb des Exzellenzclusters bringen können, zeigen die gemein-samen Arbeiten mit den Theorie-Gruppen von Prof. Dieter Jaksch, Prof. Ludwig Mathey und Prof. Angel Rubio zur Erklärung dieses überraschenden Verhaltens auf hervorragende Weise. 

Die experimentellen Arbeiten aus der Arbeitsgruppe von Prof. Henning Moritz zu Supraleitung und Suprafluidität - ein zentraler Forschungsgegenstand im Exzellenzcluster - unterstreichen weiter, wie Forschungsthemen von verschiedensten Seiten und mit komplementären Techniken angegangen werden. "Experimente mit ultrakalten Quantengasen eröffnen uns viele neue Möglichkeiten, Einblicke in die Natur der Suprafluide zu gewinnen", sagt Henning Moritz. "Diese Systeme sind von herausragender Bedeutung in der modernen Physik, aber nur sehr schwer theoretisch zu fassen. Wir freuen uns, mit unserer Forschung im Exzellenzcluster dazu beitragen zu können, diese Quantensysteme besser zu verstehen." Text: Henning Moritz, UHH

Literatur

• L. Sobirey et al., Science 372, 844 (2021).
• L. Sobirey et al., arXiv:2106.11893 (2021).
• N. Luick et al., Science 369, 89 (2020).