Im Labor der University of California in Los Angeles half eine gewöhnliche Aminosäure unerwartet dabei, dass ein Quantenmaterial sein besonderes geordnetes Verhalten der Elektronen bei einer Temperatur bewahrte, die zuvor als unerreichbar galt. Die Rede ist von Tantaldisulfid – einem Material aus ultradünnen Schichten von nur drei Atomen Dicke. Bei extremer Kälte entsteht darin eine sogenannte kommensurable Ladungsdichtewelle: Die Elektronen bewegen sich nicht chaotisch, sondern abgestimmt, indem sie das Muster des Kristallgitters nachbilden.
Normalerweise verschwindet ein solcher Quantenzustand, sobald die Temperatur über minus 57 °C steigt. Thermische Schwingungen der Atome zerstören die fragile Ordnung rasch. Die Forscher unter der Leitung von Xiangfeng Duan fügten den Schichten aus Tantaldisulfid Moleküle von Arginin hinzu – einer der zwanzig Standardaminosäuren, aus denen Proteine aufgebaut sind. Das Ergebnis war verblüffend: Die geordnete Bewegung der Elektronen blieb bis zu plus 57 °C erhalten.
Arginin passte zum Kristallgitter von Tantaldisulfid wie ein perfektes Puzzleteil. Seine Größe und seine Ladungsverteilung entsprachen genau den Zwischenräumen zwischen den Schichten des Materials. Zwei andere geprüfte Aminosäuren erzielten diesen Effekt nicht. Computergestützte Berechnungen bestätigten: Gerade die geometrische und elektronische „Übereinstimmung“ stabilisiert den Quantenzustand bei Raumtemperatur und sogar bei erhöhter Temperatur.
Die Entdeckung ist nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig. Die geordnete Bewegung der Elektronen in solchen Materialien lässt sich für die Entwicklung energiesparender Speicher eines neuen Typs nutzen, bei denen Informationen nicht in einer gewöhnlichen Ladung, sondern in Quanteneigenschaften gespeichert werden. Noch ist dies nur eine Perspektive, doch die Methode – die Verwendung von Molekülen des Lebens zur Abstimmung anorganischer Kristalle – eröffnet einen neuen Weg im Design von Quantenmaterialien.
Die Forscher planen, weitere Moleküle zu prüfen und herauszufinden, ob sich auf dieselbe Weise Supraleitung oder andere Quanteneffekte stabilisieren lassen. Wenn der Ansatz funktioniert, können die Wissenschaftler, statt nach neuen exotischen Verbindungen zu suchen, bereits bekannte organische „Schlüssel“ zu den passenden anorganischen „Schlössern“ auswählen.
Eine einfache Aminosäure, die früher nur mit der Biologie assoziiert wurde, hilft der Quantenphysik nun, die Grenzen kryogener Labore zu überschreiten.
