Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Columbia University hat erstmals experimentell bestätigt, dass Quantenfluktuationen im Vakuum innerhalb zweidimensionaler Materialien die makroskopischen Eigenschaften benachbarter Kristalle verändern können. Diese in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte Arbeit eröffnet völlig neue Perspektiven für das Materialdesign.

Quantenfluktuationen sind zufällige Schwingungen, die selbst in einem Vakuum nahe dem absoluten Nullpunkt und nach dem vollständigen Stillstand der klassischen Bewegung bestehen bleiben. Das Team um Dmitri Basov, Higgins Professor für Physik an der Columbia University, platzierte nanoskalig dünne Schichten aus hexagonalem Bornitrid (hBN) auf dem organischen Supraleiter κ-ET und beobachtete die Unterdrückung der Supraleitung ohne jegliche externe Anregung. Basov sagte: „Das ist der Heilige Gral, nach dem wir seit Jahrzehnten suchen, und wir glauben, ihn gefunden zu haben.“

Die Studie wurde von den Columbia-Postdoktoranden Itai Keren, Tatiana Webb und Shuai Zhang (jetzt Assistenzprofessor an der Fudan University) gemeinsam geleitet. Die Experimente zeigten, dass die Quantenfluktuationen zwischen den hBN-Schichten mit einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen, die genau mit der Schwingungsfrequenz von κ-ET übereinstimmt. Dadurch verändern sie die elektromagnetische Umgebung im Supraleiter und verhindern, dass Elektronen einen kollektiven supraleitenden Zustand erreichen. Bei Tests mit Supraleitern anderer Resonanzmoden wurde kein ähnlicher Effekt beobachtet. Keren erklärte: „Wenn die Schwingungsfrequenzen übereinstimmen, sollten sie miteinander wechselwirken.“

Der theoretische Kooperationspartner Ángel Rubio vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg stieß mit seiner ursprünglichen Idee auf Skepsis. Basov erinnert sich: „Ich dachte, sein Vorschlag sei unmöglich, aber er war so faszinierend, dass ich der Versuchung nicht widerstehen konnte, es zu versuchen.“ Das Team nutzte ein kryogenes Magnetkraftmikroskop für Messungen in völliger Dunkelheit und bestätigte, dass die Wirkung der Quantenfluktuationen über eine Entfernung von 0,5 Mikrometern reicht – das Zehnfache der Breite der verwendeten hBN-Schicht.

Die hyperbolischen Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid verstärken die inneren Schwingungen, und deren Frequenz kann durch Änderung der Schichtdicke eingestellt werden. Webb (jetzt Assistenzprofessorin am Barnard College) wies darauf hin: „Dies ist ein bemerkenswerter Effekt, der durch hyperbolische Materialien ermöglicht wird. Wir haben eine praktikable Methode zur Veränderung der elektronischen Eigenschaften von Materialien validiert.“ Rubio hält die Studie für einen wichtigen Meilenstein, da sie experimentelle Beweise für vakuumvermittelte Wechselwirkungen liefert.

Das Forschungsteam erwartet, dass diese Entdeckung auf andere Magnete und ferroelektrische Materialien ausgeweitet werden kann. Keren sagte: „Wir gehen davon aus, dass auch andere nach neuen Kombinationen suchen werden.“

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Itai Keren et al., Titel: „Cavity-modified superconductivity“, veröffentlicht in: „Nature“ (2026). Zeitschrifteninfo: „Nature“