Anyonen als neue Verbindung zwischen Supraleitung und Magnetismus
Supraleitung und Magnetismus galten in der Physik jahrzehntelang als fast unvereinbare Materiezustände. In der klassischen Lehrbuchdarstellung verdrängt ein Supraleiter das Magnetfeld aus seinem Inneren, während magnetische Unordnung in einem Material die für die Supraleitung verantwortlichen fragilen Elektronenpaare aufbricht. Doch im Jahr 2025 zeigten zwei unabhängige Experimente, dass diese beiden scheinbar gegensätzlichen Welten dennoch im selben Material aufeinandertreffen können. Genau auf diesem Rätsel baut nun ein Team von theoretischen Physikern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) seine Erklärung auf und bringt exotische Quasiteilchen – Anyonen – ins Spiel.
Die neue Arbeit der MIT-Physiker, die am 22. Dezember 2025 in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, schlägt vor, dass in zweidimensionalen magnetischen Materialien Elektronen in Bruchteile ihrer selbst "zerstückelt" werden können und dabei Anyonen bilden. Bei bestimmten Ladungsverhältnissen können diese Anyonen der Theorie zufolge widerstandsfrei zu fließen beginnen und dabei die magnetische Ordnung des Materials beibehalten. Mit anderen Worten: Die Supraleitung in diesen Systemen könnte nicht dank der üblichen Cooper-Paare von Elektronen entstehen, sondern als kollektive Bewegung fraktionierter Quasiteilchen.
Zwei unerwartete Phänomene in Graphit und MoTe2
Den Anstoß für die neue theoretische Arbeit gaben jüngste experimentelle Entdeckungen. Im Mai 2025 gab das Team von Long Ju am MIT bekannt, dass es in einer besonders komplexen Version von Graphen, dem sogenannten rhomboedrischen Graphen aus vier oder fünf Schichten, ein Material gefunden hat, das gleichzeitig Supraleiter und Magnet ist. In diesem System bilden Elektronen bei sehr niedrigen Temperaturen einen sogenannten chiralen Supraleiter: Elektronenpaare leiten Strom ohne Widerstand, aber gleichzeitig tragen ihre Bahnen ein magnetisches Moment, sodass sich das gesamte Material wie eine Art supraleitender Magnet verhält.
Fast zeitgleich untersuchten andere Forschungsteams, hauptsächlich an der Princeton University und Partnerinstitutionen, die Bedingungen, unter denen in einer verdrehten Doppelschicht des Halbleiterkristalls Molybdänditellurid (twisted bilayer MoTe2) topologische Quantenzustände entstehen. In solchen Moire-Strukturen wurde bereits zuvor das Auftreten des fraktionierten quanten-anomalen Hall-Effekts (FQAH) bestätigt, bei dem Elektronen überhaupt kein externes Magnetfeld benötigen, um sich in einen topologischen Zustand mit fraktionierter Ladung zu organisieren.
Neue Ergebnisse aus den Jahren 2024 und 2025 fügten diesem Bild ein weiteres überraschendes Element hinzu: Im gleichen Parameterbereich, in dem der FQAH-Effekt auftritt, wurden in der verdrehten MoTe2-Doppelschicht auch Signale von Supraleitung aufgezeichnet. Einige Messungen deuten sogar darauf hin, dass beim Dotieren von Zuständen mit einer effektiven Ladungsdichte von etwa zwei Dritteln der Elektronenladung erneut der ganzzahlige quanten-anomale Hall-Effekt auftritt, umgeben von einem schmalen Bereich supraleitenden Verhaltens. Genau diese Kombination aus Magnetismus, topologischer Ordnung und Supraleitung legt nahe, dass die grundlegende "Arbeitseinheit" in diesen Materialien fraktionierte Quasiteilchen – Anyonen – sein könnten.
Der dritte Teilchentyp: Was sind Anyonen eigentlich?
In der Standard-Teilchenzoologie kennt die Natur zwei große "Familien" von Teilchen: Bosonen und Fermionen. Bosonen, von denen das Photon das bekannteste ist, teilen gerne dieselben Quantenzustände; sie können sich am selben Ort im Raum und auf demselben Energieniveau ansammeln, was Phänomene wie Laserlicht oder Bose-Einstein-Kondensate ermöglicht. Fermionen wie Elektronen, Protonen und Neutronen verhalten sich genau umgekehrt: Aufgrund des Pauli-Prinzips kann jede Kombination von Quantenzahlen nur einem Fermion gehören, sodass sie sich gegenseitig "abstoßen" und meiden.
Anyonen bilden eine dritte, viel exotischere Klasse. Sie treten nur in zweidimensionalen Systemen auf, wie zum Beispiel in ultradünnen Materialschichten oder Moire-Strukturen, wo die Quantenmechanik eine völlig andere Art von Statistik zulässt. Während sich der Austausch zweier Fermionen oder Bosonen nur im Vorzeichen der Wellenfunktion widerspiegelt, kann der Austausch von Anyonen der Wellenfunktion eine beliebige Phase hinzufügen. Genau wegen dieser Verhaltensfreiheit schlug der Nobelpreisträger Frank Wilczek in den 1980er Jahren den Namen "Anyon" vor – weil im Prinzip "anything goes" (alles geht).
Anyonen sind nicht nur mathematische Kuriositäten. In fraktionierten Quanten-Hall-Zuständen, die in zweidimensionalen Elektronengasen unter einem starken Magnetfeld auftreten, wurden experimentell Ladungen nachgewiesen, die nur ein Drittel oder sogar ein Fünftel der Elementarladung des Elektrons tragen. Solche fraktionierten Quantenzustände werden als kollektive Anregungsformen – Anyonen – interpretiert, die aus der komplexen Korrelation vieler Elektronen entstehen.
In den letzten Jahren wurden ähnliche Zustände, jedoch ohne externes Magnetfeld, auch in Moire-Materialien entdeckt, insbesondere in verdrehtem MoTe2. Dort tritt der FQAH-Effekt dank der topologischen Eigenschaften sogenannter Chern-Bänder und spontanem Ferromagnetismus auf, sodass vermutet wird, dass auch dort Anyonen mit fraktionierter Ladung erscheinen. Dies eröffnet die Möglichkeit, Anyonen in Festkörpern unter wesentlich "praktischeren" Bedingungen zu untersuchen und zu manipulieren als in klassischen Experimenten an Halbleiter-Heterostrukturen.
Eine alte Idee der anyonischen Supraleitung erhält eine neue Chance
Die Idee, dass eine Ansammlung von Anyonen supraleitend werden könnte, ist nicht neu. Schon Ende der 1980er Jahre untersuchten Theoretiker wie Robert Laughlin und Wilczek selbst Szenarien, in denen sich Anyonen unter dem Einfluss von Magnetismus in einem kollektiven Zustand ohne Widerstand organisieren. Doch diese Arbeiten blieben lange Zeit auf der Ebene eleganter, aber experimentell unerreichbarer Modelle: Die Verbindung zwischen Magnetismus und Supraleitung schien zu unwahrscheinlich, und ein konkretes Material, in dem ein solcher Zustand auftreten könnte, gab es schlichtweg nicht.
Eine Serie von Entdeckungen in rhomboedrischem Graphen und verdrehtem MoTe2 kehrte dieses Bild um. In Graphit zeigten MIT-Experimentalphysiker, dass in fünfschichtigem rhomboedrischem Graphen ein chiraler Supraleiter auftritt, der sich wie ein Magnet verhält, obwohl klassische Supraleiter Magnetfelder abstoßen. In MoTe2 fanden andere Teams durch die Kombination von Transport- und mikroskopischen Messungen Bedingungen, unter denen Supraleitung neben oder unmittelbar neben dem FQAH-Zustand auftritt. Damit ist die magnetisch-supraleitende "unmögliche Dreifaltigkeit" zu einer empirischen Tatsache geworden und nicht nur ein theoretischer Traum.
Genau hier kommen Senthil Todadri und sein Doktorand Zhengyan Darius Shi ins Spiel. Ihre PNAS-Arbeit geht von der Annahme aus, dass der FQAH-Zustand in MoTe2 eine gute Ausgangsbeschreibung für die nachgeschalteten Phasen ist, die durch Dotierung entstehen – das Einbringen zusätzlicher Ladungsträger in das System. Jedes neue Elektron, das in einen solchen topologischen Isolator eintritt, kann aufgrund starker Korrelationen und topologischer Ordnung in mehrere Anyonen mit fraktionierter Ladung "zerstückelt" werden. Die Frage ist: Wie kann sich dieses verdünnte Anyonengas bei sehr niedrigen Temperaturen organisieren?
Frustrierte Anyonen und die kritische Rolle der Ladung 2/3
Die Autoren nutzen in ihrem Modell den mathematischen Apparat der Quantenfeldtheorie und effektiver Chern-Simons-Theorien, um die Wechselwirkung von Anyonen in einem zweidimensionalen Gitter zu beschreiben. Ein Schlüsselergebnis ist, dass je nach Dichte der dotierten Elektronen zwei Typen von Anyonen im System auftreten: die einen mit einer Ladung von etwa e/3 und die anderen mit einer Ladung von etwa 2e/3, wobei e die Elementarladung des Elektrons ist. Jede dieser Fraktionen trägt auch eine spezifische "statistische" Wechselwirkung – einen quantenmechanischen Phasenfaktor, der bestimmt, wie sich Anyonen fühlen, wenn sie aneinander vorbeiziehen.
Wenn Anyonen mit der Ladung e/3 das System dominieren, führt ihre gegenseitige statistische Abstoßung zu einer starken Quantenfrustration. Jeder Versuch eines Anyons, sich durch das Gitter zu bewegen, stößt auf den "Widerstand" des gesamten Kollektivs; das System bleibt in einer Art metallischer Phase, in der Strom mit einem endlichen, wenn auch ungewöhnlichen Widerstand fließt. Das Bild ähnelt einem gewöhnlichen Metall, nur dass anstelle von Elektronen die fraktionierten Quasiteilchen die Hauptrolle spielen.
Die Situation ändert sich dramatisch, wenn Anyonen mit der Ladung 2e/3 überwiegen. In diesem Regime können, wie das Modell zeigt, statistische Wechselwirkungen zwischen Anyonen effektiv "aufgehoben" werden, ähnlich wie Magnetfelder in einem Supraleiter aufgehoben werden. Das Ergebnis ist ein kollektiver Zustand, in dem sich Anyonen zu einer kohärenten Quantenflüssigkeit organisieren – einem anyonischen Supraleiter. Obwohl es sich um einen völlig anderen mikroskopischen Mechanismus handelt als in einem konventionellen BCS-Supraleiter, lässt sich die mathematische Beschreibung in die Sprache von "Cooper-Paaren von Anyonen" übersetzen, was die Intuition der üblichen Supraleitungstheorie gewissermaßen beibehält.
Ein weiteres faszinierendes Detail der Theorie ist die Vorhersage, dass anyonische Supraleitung bei ihrer Entstehung nicht homogen auftritt. Anstelle einer ordentlichen, räumlich gleichmäßigen supraleitenden Phase schlägt das Modell eine Anordnung von Wirbel-Superströmen vor, die spontan in zufälligen Taschen innerhalb des Materials entstehen. Eine solche "fleckige" Supraleitung, die mit den topologischen Eigenschaften des Substrats verbunden ist, wäre eine klare experimentelle Signatur dafür, dass im Hintergrund tatsächlich Anyonen und nicht nur ungewöhnliche Paare gewöhnlicher Elektronen am Werk sind.
Auf dem Weg zu einer neuen Materiephase: anyonische Quantenmaterie
Sollte sich herausstellen, dass genau dieser Mechanismus für das Auftreten von Supraleitung in verdrehtem MoTe2 – und vielleicht in anderen Moire-Materialien – verantwortlich ist, wird die Physik eine völlig neue Klasse von Materiephasen erhalten. Todadri nennt dieses hypothetische Regime "anyonische Quantenmaterie": Zustände, in denen die grundlegenden Ladungsträger nicht mehr Elektron oder Loch sind, sondern kollektive fraktionierte Objekte mit ungewöhnlicher Statistik. In solchen Materialien wären magnetische Ordnung, der topologische Hall-Effekt und Supraleitung keine getrennten Phänomene, sondern Manifestationen derselben tieferen Quantenordnung.
Schon jetzt gibt es eine ganze Reihe theoretischer Arbeiten, die versuchen, mögliche Phasen zu kartieren, die durch Dotierung von FQAH-Isolatoren entstehen, einschließlich topologischer Supraleiter mit Majorana-Randmoden und sogenannter Pair-Density-Wave-Phasen, in denen die Amplitude der supraleitenden Paardichte räumlich moduliert wird. Die neue MIT-Arbeit zur anyonischen Supraleitung knüpft logisch an diese Forschungslinie an, zeichnet sich aber dadurch aus, dass sie versucht, konkrete Experimente in MoTe2 direkt mit der Dynamik fraktionierter Anregungen zu verbinden.
Parallel zu dieser theoretischen Entwicklung kontrollieren Experimentalphysiker die Bedingungen in Moire-Strukturen immer besser. In verdrehtem MoTe2 ist es heute möglich, den Verdrehungswinkel, die Ladungsträgerdichte, die Temperatur und externe Felder sehr präzise einzustellen, was Raum für gezielte Tests des Anyonen-Szenarios eröffnet. Zum Beispiel könnten räumlich auflösende Messungen von Superströmen prüfen, ob die vom Modell vorhergesagten lokalen "Pfützen" von Supraleitung tatsächlich existieren, während empfindliche Magnetometrie die gleichzeitige topologische magnetische Antwort detektieren könnte.
Anyonen und die Suche nach stabilen Quantenbits
Obwohl der aktuelle Fokus der Arbeit von Senthil Todadri und Zhengyan Darius Shi auf der Erklärung konkreter Experimente liegt, ist die breitere Motivation klar mit Quantencomputern verbunden. Anyonen – insbesondere solche mit nicht-linearer, sogenannter nicht-abelscher Statistik – gelten seit langem als ideale Kandidaten für stabile Quantenbits. Informationen würden in solchen Systemen nicht im lokalen Zustand eines einzelnen Teilchens gespeichert, sondern in der globalen topologischen Ordnung einer Ansammlung von Anyonen, was den Quantenzustand auf natürliche Weise vor lokalen Störungen schützt.
Sollte es sich zeigen, dass es in Moire-Materialien möglich ist, reproduzierbar anyonische Supraleiter zu erzeugen, erhielten Forscher eine lang ersehnte Plattform für das sogenannte topologische Quantencomputing. In einem solchen Szenario würden logische Operationen nicht durch einen klassischen Puls auf ein einzelnes "Qubit" ausgeführt, sondern durch das langsame, geometrisch definierte "Flechten" der Pfade von Anyonen umeinander. Die topologische Natur dieses Prozesses macht die Ergebnisse extrem robust gegenüber Rauschen und Unvollkommenheiten, was eine der Hauptherausforderungen der heutigen Quantentechnologie ist.
Bisher handelt es sich jedoch nur um einen vielversprechenden theoretischen Schritt. Die Autoren selbst betonen, dass zahlreiche zusätzliche Messungen erforderlich sind, bevor ihr Bild bestätigt oder widerlegt werden kann. Besonders wichtig ist es, den Beitrag von Anyonen von möglichen exotischen Phasen gewöhnlicher Elektronen zu unterscheiden, die in zweidimensionalen topologischen Bändern oft unerwartete Verhaltensweisen hervorrufen. Doch die Tatsache, dass wir nicht mehr über rein spekulative Szenarien sprechen, sondern über eine Theorie, die in konkreten Experimenten verankert ist, macht diese Geschichte zu einer der spannendsten in der modernen Festkörperphysik.
Was folgt nach den ersten theoretischen Hinweisen?
In den Monaten und Jahren nach der Veröffentlichung der MIT-Arbeit wird ein enger Dialog zwischen Theorie und Experiment erwartet. Verschiedene Gruppen haben bereits alternative Modelle der anyonischen Supraleitung in dotierten FQAH-Zuständen vorgeschlagen und die Übergänge zwischen der supraleitenden Phase und re-entrant quanten-anomalen Hall-Isolatoren in verdrehtem MoTe2 detailliert analysiert. Der Schlüssel wird darin liegen, messbare Größen zu identifizieren – wie ein spezifisches Muster von Wirbelströmen, ungleichmäßige Ladungsdichte oder ungewöhnliche Randmoden –, die das Anyonen-Szenario eindeutig von konkurrierenden Erklärungen unterscheiden.
Unabhängig vom Ausgang ist bereits klar, dass die neuen Entdeckungen der "magnetischen Supraleitung" in rhomboedrischem Graphen und die Kombination aus FQAH-Effekt und Supraleitung in MoTe2 eine völlig neue Phase der Quantenmaterieforschung eröffnet haben. Die Grenze zwischen Magnetismus, topologischen Isolatoren und Supraleitern ist nicht mehr so starr, wie sie einst schien. In dieser neuen Überlappungszone zeichnen sich Anyonen als die natürliche Sprache ab, in der künftige Experimente und Theorien wahrscheinlich geschrieben werden.
Sollte sich herausstellen, dass "Anything-goes"-Anyonen tatsächlich die Grundlage einer ganzen Reihe unerwarteter Quantenphänomene sind, von Moire-Strukturen im Labor bis hin zu potenziellen neuen Materialien, wird die Physik nicht nur eine weitere exotische Ergänzung ihrer Enzyklopädie erhalten, sondern ein konkretes Werkzeug für den Aufbau robusterer Quantentechnologien. Der Weg zu solchen Anwendungen wird lang und voller Ungewissheit sein, aber die neuesten Ergebnisse zeigen, dass zumindest der erste, konzeptionell entscheidende Schritt gerade getan wurde.
Quellen:
- MIT News – Anything-goes “anyons” may be at the root of surprising quantum experiments (Link)
- MIT News – MIT physicists discover a new type of superconductor that’s also a magnet (Link)
- Nature – Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe2 bilayer (Link)
- Science Advances – Anomalous superconductivity in twisted MoTe2 nanojunctions (Link)
- Anyon delocalization transitions out of a disordered FQAH insulator – arXiv preprint (Link)
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Erstellungszeitpunkt: 6 Stunden zuvor