Wie Supraleitung entsteht: Neue Einblicke aus Moiré-Materialien

Wie genau unkonventionelle Supraleitung entsteht, zählt zu den zentralen Fragen der modernen Festkörperphysik. Eine neue Studie, die in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist, liefert hierzu entscheidende Hinweise.

Ein internationales Forschungsteam konnte erstmals eine direkte mikroskopische Verbindung zwischen einem stark korrelierten Normalzustand und der Supraleitung in sogenannten Moiré-Materialien nachweisen. Langfristig können diese Erkenntnisse dazu beitragen, gezielt neue Quantenmaterialien und Supraleiter für künftige Quantentechnologien zu entwickeln.

An der Studie hat Professor Giorgio Sangiovanni vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) mitgewirkt. Thematisch ist seine Forschung im Exzellenzcluster ctd.qmat –Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der JMU und der Technischen Universität Dresden angesiedelt.

Leichte Verdrehung ergibt neuartige Quantenzustände

Moiré-Materialien bestehen aus atomar dünnen Kristallschichten, die gegeneinander leicht verdreht gestapelt werden.

Die minimale Verdrehung verändert das Verhalten der Elektronen grundlegend: Ihre Beweglichkeit nimmt ab, während ihre gegenseitigen Wechselwirkungen dominieren. Dadurch entstehen neuartige Quantenzustände wie korrelierte Isolatoren, Magnetismus und unkonventionelle Supraleitung.

Bisher war jedoch unklar, wie genau sich Supraleitung aus diesen stark korrelierten Ausgangszuständen entwickelt. Um das zu klären, kombinierten die Forschenden hochpräzise Experimente mittels Rastertunnelmikroskopie mit theoretischen Modellen. Auf diese Weise konnten sie verdrehte Graphen-Systeme untersuchen, die eine besonders präzise Kontrolle über elektronische Wechselwirkungen und Symmetrien erlauben.

Die theoretische Analyse der Daten wurden in enger Kooperation mit Partnerinstitutionen aus Princeton, San Sebastián, Frankfurt und Hamburg am Lehrstuhl von Professor Sangiovanni durchgeführt.

Neue Quantenmaterialien und Supraleiter für künftige Quantentechnologien

Das zentrale Ergebnis: Die beobachtete Supraleitung entsteht nicht aus einem gewöhnlichen Metall, sondern aus einem bereits stark korrelierten Zustand mit gebrochener Symmetrie.

Besonders bemerkenswert war der Nachweis einer spiralförmigen Ordnung des sogenannten „Valley“-Freiheitsgrades. Zudem beobachteten die Forschenden mehrere Energielücken, deren Verhalten mit Temperatur und Magnetfeld variiert – ein klarer Hinweis auf den engen Zusammenhang zwischen Normalzustand und Supraleitung.

Die Ergebnisse liefern ein neues physikalisches Verständnis dafür, wie unkonventionelle und möglicherweise auch Hochtemperatur-Supraleitung entsteht.

Exzellenzcluster ctd.qmat

Das Würzburg-Dresdener Exzellenzcluster ctd.qmat erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Forschende aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die zweite Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.

Publikation

Hyunjin Kim, Gautam Rai, Lorenzo Crippa, Dumitru Călugăru, Haoyu Hu, Youngjoon Choi, Lingyuan Kong, Eli Baum, Yiran Zhang, Ludwig Holleis, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andrea F. Young, B. Andrei Bernevig, Roser Valentí, Giorgio Sangiovanni, Tim Wehling, Stevan Nadj-Perge. Resolving Intervalley Gaps and Many-Body Resonances in a Moiré Superconductor. Nature, 4. Februar 2026, DOI 10.1038/s41586-025-10067-1

Kontakt

Prof. Dr. Giorgio Sangiovanni, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Computational Quantum Materials, Universität Würzburg, T +49 931 31-89100, E-Mail: giorgio.sangiovanni@uni-wuerzburg.de