Stark wechselwirkende Quantenteilchen sind der Schlüssel zu einigen der faszinierendsten Phänomene der modernen Physik, von Magnetismus und Supraleitung bis hin zu topologischen Zuständen. Doch die Komplexität solcher Systeme macht es selbst heute noch schwierig, viele ihrer Eigenschaften zu verstehen. Ein Forschungsteam aus Innsbruck und Turin hat nun ein neues theoretisches Konzept entwickelt, um diese exotischen Zustände der Materie mit ultrakalten magnetischen Atomen in einem eindimensionalen Gitter zu erzeugen und zu untersuchen.
Neues Quantenmodell für magnetische Atome
Im Zentrum der Studie steht ein speziell entwickeltes theoretisches Modell, ein in der Quantenphysik etabliertes Konzept zur Beschreibung des Verhaltens stark wechselwirkender Quantenteilchen, sogenannter Fermionen. Die Forschenden entwickelten einen realisierbaren Versuchsaufbau auf der Basis ultrakalter magnetischer Atome aus der Gruppe der Lanthanoide, insbesondere Erbium und Dysprosium, die in einem eindimensionalen optischen Gitter gefangen sind. Dank der außergewöhnlich großen magnetischen Momente dieser Atome gelang es dem Team, ein System zu konstruieren, in dem drei Schlüsselparameter – wie sich die Teilchen zwischen den Gitterplätzen bewegen, wie ihre Spins miteinander wechselwirken und wie stark sie sich gegenseitig abstoßen, wenn sie denselben Platz besetzen – unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dieser Grad an Kontrolle geht deutlich über das hinaus, was mit herkömmlichen atomaren Systemen bisher erreichbar war.
Ein topologischer Supraleiter
Mithilfe einer Kombination aus analytischen Methoden und ausgefeilten numerischen Simulationen erstellte das Team ein Phasendiagramm, das sieben unterschiedliche Quantenphasen umfasst. Dazu gehören verschiedene Formen der eindimensionalen Supraleitung, eine topologische Flüssigkeit und insbesondere ein topologischer Triplett-Supraleiter. In diesem Zustand koexistiert die Supraleitung – also der verlustfreie Transport elektrischer Ladung – mit topologischer Ordnung, einem Quantenzustand, der gegenüber Umgebungsrauschen robust ist. „Dieser exotische Zustand der Materie, in dem topologische Ordnung und Supraleitung eng miteinander verflochten sind, wurde bisher noch nicht experimentell realisiert”, erklärt Erstautor Leonardo Giacomelli aus dem Team von Francesca Ferlaino. „Unser Ansatz bietet hierfür eine konkrete und experimentell zugängliche Basis“, fügt Luca Barbiero vom Politecnico di Torino hinzu.
Weg zur experimentellen Umsetzung
Das Forschungsteam hat ein detailliertes, schrittweises Protokoll zur Erzeugung und Detektion aller vorhergesagten Quantenphasen mithilfe von Quantengas-Mikroskopie entwickelt. „Unsere Studie stellt einen konkreten Schritt hin zu einem tieferen Verständnis der faszinierenden Zustände dar, die in stark wechselwirkender fermionischer Quantenmaterie auftreten“, sagt Francesca Ferlaino. „Die vorgeschlagene Plattform ist direkt mit bestehenden Versuchsaufbauten kompatibel, was besonders relevant ist, da topologische Supraleiter zu den vielversprechendsten Kandidaten für fehlertolerantes Quantencomputing gehören.“
Die Forschungsarbeit wurde am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) durchgeführt. Sie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie weiteren Förderinstitutionen unterstützt.
Publikation: Topology meets superconductivity in a one-dimensional t-J model of magnetic atoms. Leonardo Bellinato Giacomelli, Thomas Bland, Louis Lafforgue, Francesca Ferlaino, Manfred J. Mark, and Luca Barbiero. Nature Communications 17, 5328 (2026) DOI: 10.1038/s41467-026-71248-8