Strom ohne Widerstand: Forscher lösen Teil eines großen Physikrätsels

Warum funktioniert Supraleitung bislang nur bei tiefen Temperaturen? Forschende aus München, Utrecht und Leiden haben einen wichtigen Hinweis gefunden. Ihre Messungen zeigen, dass sich Elektronenpaare bereits bilden können, bevor ein Material supraleitend wird. Damit rückt eine andere Frage in den Mittelpunkt: Warum gelingt es diesen Paaren nicht, gemeinsam Strom ohne Widerstand zu transportieren?

Strom ohne elektrischen Widerstand – das ist die besondere Eigenschaft von Supraleitern. Während gewöhnliche Stromleitungen einen Teil der übertragenen Energie in Wärme umwandeln, verschwindet dieser Verlust in einem supraleitenden Material. Allerdings funktioniert das nur unter bestimmten Bedingungen. Die meisten bekannten Supraleiter müssen dafür stark gekühlt werden.

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker herauszufinden, warum einige Materialien erst bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt supraleitend werden. Ein internationales Forschungsteam hat nun einen wichtigen Teil dieses Problems untersucht. Die Ergebnisse wurden am 5. November 2026 im Fachjournal Science veröffentlicht.

Warum Supraleiter extreme Kälte brauchen

Die Supraleitung wurde bereits 1911 entdeckt. Einen großen Fortschritt erzielten Forschende in den 1980er-Jahren: Sie fanden keramische Materialien, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden als zuvor bekannte Metalle.

Diese sogenannten Hochtemperatursupraleiter benötigen zwar weiterhin Kühlung, einige lassen sich aber bereits mit flüssigem Stickstoff betreiben. Das ist wesentlich einfacher als die Kühlung mit flüssigem Helium, das bei rund −269 °C siedet.

Warum diese Materialien überhaupt supraleitend werden, ist bis heute nicht vollständig geklärt. Die klassische Theorie der Supraleitung erklärt zwar das Verhalten vieler Metalle, bei kupferoxidbasierten Hochtemperatursupraleitern stößt sie jedoch an Grenzen.

„Das Verständnis der Supraleitung in diesen Materialien ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik“, erklärt Milan Allan, Professor für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), in einer Pressemitteilung vom 6. November 2026.

Auch für die technische Nutzung ist das entscheidend. Solange die zugrunde liegenden Vorgänge nicht ausreichend verstanden sind, lassen sich neue supraleitende Materialien nur schwer gezielt entwickeln. Welche Schwierigkeiten dabei auftreten, zeigt auch unser Beitrag über die physikalischen Grundlagen der Hochtemperatursupraleitung.

Elektronenpaare allein reichen nicht aus

Damit ein Material supraleitend wird, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

• Elektronenpaarbildung: Elektronen bilden sogenannte Cooper-Paare. Trotz ihrer gegenseitigen elektrischen Abstoßung können sie sich durch quantenmechanische Wechselwirkungen zu einem gemeinsamen Zustand verbinden.
• Phasenkohärenz: Die Paare müssen einen über das Material hinweg abgestimmten quantenmechanischen Zustand ausbilden. Erst dann kann ein supraleitender Strom ohne elektrischen Widerstand fließen.

Bei herkömmlichen Supraleitern treten diese beiden Voraussetzungen beim Abkühlen gemeinsam auf. Bei Hochtemperatursupraleitern könnte das anders sein.

Schon länger vermuten Physiker, dass sich Cooper-Paare bereits bei Temperaturen bilden, bei denen das Material noch nicht supraleitend ist. Allerdings war umstritten, ob sich dieser Zusammenhang experimentell eindeutig nachweisen lässt. Hier setzt die neue Untersuchung an.

Neue Messungen zeigen, wann sich Elektronenpaare bilden

Die Forschenden untersuchten einen Hochtemperatursupraleiter aus Bismut, Strontium, Calcium, Kupfer und Sauerstoff. Das als Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ bezeichnete Material gehört zu den sogenannten Kupraten. Im Mittelpunkt stand die sogenannte Pseudogap-Phase. In diesem Zustand ist die Zahl der verfügbaren elektronischen Zustände in einem bestimmten Energiebereich verringert. Das Material zeigt damit Eigenschaften, die an einen Supraleiter erinnern, besitzt aber noch keinen verschwindenden elektrischen Widerstand.

Was diese Pseudolücke verursacht, beschäftigt die Festkörperphysik seit Jahrzehnten. Eine Erklärung sind bereits vorhandene Elektronenpaare. Andere Modelle führen sie auf konkurrierende elektronische Ordnungszustände zurück.

Mit einer neu entwickelten Messapparatur konnten die Wissenschaftler nun einen Zusammenhang zwischen der Pseudogap-Energie und der Bildung von Elektronenpaaren nachweisen. Die Messungen zeigen, dass beide bei derselben charakteristischen Energie einsetzen. Diese Energie unterscheidet sich je nach untersuchter Stelle im Material. Die Forschenden ermittelten Werte von bis zu 70 meV (Millielektronenvolt).

Damit liefern die Ergebnisse starke experimentelle Belege dafür, dass die Pseudolücke mit der Bildung von Cooper-Paaren zusammenhängt. Eine Erklärung ausschließlich durch lokale elektronische Ordnung reicht nach Einschätzung des Forschungsteams nicht aus.

Ist Supraleitung bei Raumtemperatur möglich?

Besonders bemerkenswert ist die Energie, mit der die Elektronenpaare zusammengehalten werden. Nach Einschätzung der Forschenden könnte sie grundsätzlich ausreichen, damit Paare auch bei Raumtemperatur bestehen bleiben.

„Der ‚Klebstoff‘, der die Paare zusammenhält, ist stark genug, um sie auch bei Raumtemperatur zusammenzuhalten“,  sagt Ingmar Swart von der Universität Utrecht in einer Pressemitteilung vom 5. November 2026.

Der Zusammenhalt der Elektronenpaare wäre demnach nicht zwangsläufig das größte Hindernis für Supraleitung bei höheren Temperaturen. Entscheidend könnte vielmehr die fehlende Phasenkohärenz sein. Solange die Elektronenpaare keinen gemeinsamen supraleitenden Zustand ausbilden, besitzt das Material weiterhin elektrischen Widerstand.

Das ist allerdings eine Schlussfolgerung aus den experimentellen Ergebnissen. Die Forschenden haben weder Supraleitung bei Raumtemperatur nachgewiesen noch gezeigt, wie sich die notwendige Phasenkohärenz dort herstellen lässt.

Auch ist die Rolle der Pseudogap-Phase weiterhin Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Eine im Oktober 2026 in Nature Physics veröffentlichte Untersuchung liefert beispielsweise Hinweise darauf, dass Pseudogap-Zustand und Supraleitung unter bestimmten Bedingungen miteinander konkurrieren können. Die neue Studie beantwortet deshalb nicht sämtliche Fragen zur Hochtemperatursupraleitung. Sie stärkt aber die Erklärung, dass bereits vorhandene Elektronenpaare allein noch keinen supraleitenden Zustand garantieren.

Eine neue Messtechnik macht den Unterschied

Möglich wurden die Ergebnisse durch eine spezielle Form der Rastertunnelmikroskopie. Dabei untersuchten die Forschenden winzige Schwankungen des elektrischen Tunnelstroms, das sogenannte Schrotrauschen. Aus diesen Schwankungen lässt sich auf die effektive elektrische Ladung schließen, die am Transport beteiligt ist. Einzelne Elektronen tragen eine Elementarladung. Bei Cooper-Paaren ist es die doppelte Ladung.

Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler untersuchen, ob einzelne Elektronen oder Elektronenpaare zum gemessenen Strom beitragen. Die Messungen erlauben zudem eine räumlich sehr genaue Untersuchung des Materials.

„Das Schöne am Bau neuer Instrumente ist, dass man Dinge messen kann, die sonst niemand messen kann, und Erkenntnisse gewinnen kann, die zuvor unsichtbar waren“,  erklärt Maialen Ortego Larrazabal in der Pressemitteilung der LMU. Während ihrer Promotion hatte sie wesentliche Teile der Messapparatur entwickelt.

Wie stark die Eigenschaften von Cooper-Paaren innerhalb eines Materials variieren können, zeigen auch andere Untersuchungen. So entdeckten Forschende am Caltech eine besondere Form der Supraleitung mit einer räumlichen Modulation der Cooper-Paare.

Was die Entdeckung für die weitere Forschung bedeutet

Supraleiter kommen bereits in leistungsfähigen Magneten zum Einsatz, beispielsweise in der Medizintechnik. Materialien, die bei höheren Temperaturen supraleitend werden, könnten den Kühlaufwand erheblich reduzieren und weitere technische Anwendungen erleichtern.

Die neue Untersuchung liefert dafür noch keine unmittelbar nutzbare Lösung. Sie zeigt jedoch, dass bei dem untersuchten Kuprat die Bildung von Elektronenpaaren und der Eintritt der Supraleitung offenbar voneinander getrennt sind. Die Forschenden wollen nun genauer untersuchen, welche Vorgänge die notwendige Phasenkohärenz verhindern und wie sie sich bei höheren Temperaturen stabilisieren ließe.

Die entscheidende Frage lautet damit nicht mehr allein, wie sich Elektronenpaare bilden lassen. Ebenso wichtig ist, unter welchen Bedingungen aus ihnen ein gemeinsamer supraleitender Zustand entsteht.

Quellen

• Science, 5. November 2026: Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature superconductor – Originalstudie von Jiasen Niu, Maialen Ortego Larrazabal und weiteren Autoren. Fachliche Grundlage der Meldung; bibliografische Angaben und Abstract verifiziert.
• Universität Utrecht, 5. November 2026 – offizielle Pressemitteilung mit unveränderten Originalzitaten von Ingmar Swart.
• LMU München, 6. November 2026 – Pressemitteilung mit Zitaten von Milan Allan und Maialen Ortego Larrazabal sowie Angaben zum Messverfahren.
• Nature Physics, 20. Oktober 2026: Light-induced asymmetric pseudogap below the critical temperature in cuprates – ergänzende Fachpublikation zur weiterhin umstrittenen Beziehung zwischen Pseudogap und Supraleitung.