Stapelt man ultradünne Kristallschichten leicht gegeneinander verdreht aufeinander, entstehen sogenannte Moiré-Materialien mit völlig neuen Quanteneigenschaften. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Goethe-Universität hat nun erstmals im Detail beobachtet, wie in solchen Materialien eine besondere Form der Supraleitung entsteht.
In diesen Strukturen wird das Verhalten von Elektronen grundlegend verändert: Ihre Beweglichkeit wird stark eingeschränkt, während ihre gegenseitigen Wechselwirkungen dominieren. Dadurch entstehen neuartige Quantenzustände wie korrelierte Isolatoren, Magnetismus – und die sogenannte unkonventionelle Supraleitung. Bislang war jedoch unklar, wie genau sich Supraleitung aus solchen stark korrelierten Ausgangszuständen entwickelt.
Eine neue Studie in Nature zeigt nun erstmals eine direkte mikroskopische Verbindung zwischen einem korrelierten Normalzustand und der entstehenden Supraleitung in Moiré-Materialien. Die theoretischen Arbeiten wurden unter anderem von Prof. Dr. Roser Valentí vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität betreut, in enger Zusammenarbeit mit internationalen Partnern aus Princeton, San Sebastián, Hamburg und Würzburg durchgeführt und in die DFG-Forschungsgruppe QUAST eingebettet, deren Sprecherin Valentí ist.
Für die Studie kombinierten die Forschenden hochauflösende Rastertunnelmikroskopie mit detaillierten theoretischen Modellen, um verdrillte Graphen-Systeme zu untersuchen. Diese Materialien erlauben eine außergewöhnlich präzise Kontrolle über elektronische Wechselwirkungen und Symmetrien.
Das zentrale Ergebnis: Die Supraleitung entsteht nicht aus einem gewöhnlichen Metall, sondern aus einem bereits stark korrelierten Zustand mit gebrochener Symmetrie. Besonders überraschend war der Nachweis einer spiralförmigen Ordnung eines elektronischen Freiheitsgrades, des sogenannten „Valleys“. Zudem konnten mehrere Energielücken und ihre Abhängigkeit von Temperatur und Magnetfeld beobachtet werden – ein klarer Hinweis auf den engen Zusammenhang zwischen Normalzustand und Supraleitung.
Die Arbeit liefert damit ein neues Verständnis dafür, wie unkonventionelle – und möglicherweise auch Hochtemperatur-Supraleitung – entsteht. Ihre Konzepte sind auf andere Materialsysteme übertragbar und könnten langfristig helfen, gezielt neue Quantenmaterialien und Supraleiter für zukünftige Quantentechnologien zu entwickeln.
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 (2026) https://doi.org/10.1038/s41586-025-10067-1
