Die Supraleitung als faszinierendes physikalisches Phänomen, in dem Materialien ohne elektrischen Widerstand Strom leiten, ist seit Jahrzehnten ein Schlüsselthema der Festkörperphysik. Die Suche nach neuen Supraleitern und insbesondere nach solchen mit ungewöhnlichen, nicht-konventionellen Eigenschaften ist anhaltend und motiviert von den vielversprechenden Anwendungen in der Quanteninformation, Energieübertragung und ultraschnellen Elektronik. In jüngster Zeit hat die Verbindung zwischen Topologie in Quantenmaterialien und Supraleitung ein neues Forschungsfeld begründet, dessen Schwerpunkt darauf liegt, wie topologische Eigenschaften quasifreier Elektronen das Auftreten und die Stabilität von Supraleitung beeinflussen. Besonders spannend ist die Entdeckung von Supraleitungszuständen, die sich nicht im Volumen, sondern ausschließlich an den Oberflächen topologischer Materialien manifestieren. Diese zweidimensionalen Supraleitungszustände hängen mit speziellen elektronischen Zuständen zusammen, sogenannten Van-Hove-Singularitäten (vHs), die lokal zu einer starken Erhöhung der Elektronendichte am Fermi-Niveau führen.
Der Begriff Van-Hove-Singularität beschreibt Punkte in der elektronischen Bandstruktur, an denen die Dichte der Zustände durch kritische Punkte (Sattelpunkte oder Extremwerte der Bandenergie) stark in die Höhe schnellt. Solche Singularitäten spielen eine zentrale Rolle, wenn es darum geht, elektronische Phasenübergänge, einschließlich Supraleitung, Magnetismus oder andere elektronische Ordnungen, zu stabilisieren. Das jüngst untersuchte Material ZrAs₂ ist ein Paradebeispiel für eine Dirac-Nodal-Line-Halbleiter mit topologischer Charakteristik. Untersucht man es genauer, stellt man fest, dass im Kristall ausschließlich die Oberflächen in der ab-Ebene bei tiefen Temperaturen supraleitend werden. Diese Supraleitung ist sehr ungewöhnlich, da das Volumen des Materials im Normalzustand bleibt und keinerlei bosonische Kopplung mithilfe des bekannten Proximitätseffekts nötig ist.
Die elektrischen Transporteigenschaften zeigen einen abrupten Übergang zu einem Zustand ohne Widerstand knapp unter 2 Kelvin und offenbaren deutliche Merkmale einer zweidimensionalen Supraleitung. Die Analyse der kritischen Magnetfelder als Funktion der Feldrichtungswinkel zeigt typische Anisotropie, die der Tinkham-Therorie für 2D-Supraleiter entspricht, und hebt so die Oberflächen-Natur des Phänomens hervor. Noch bemerkenswerter ist die experimentelle Beobachtung des Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)-Übergangs. Dabei handelt es sich um einen temperaturgesteuerten Phasenübergang, bei dem in zwei Dimensionen Supraleitungswirbelsysteme entstehen oder sich auflösen. Dieses Verhalten wird durch nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristika in Transporteinstellungen erkennbar und bestätigt die reine Zweidimensionalität der Supraleitung auf der ZrAs₂-Oberfläche.
Diese BKT-Übergänge sind in der klassischen Supraleitungsforschung wohlbekannt, aber dass sie nun in einem Festkörper auf einer kristallinen Oberfläche zum ersten Mal klar nachgewiesen werden, ist eine bahnbrechende Erkenntnis. Die elektronische Bandstrukturberechnung, ergänzt durch hochauflösende Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES), offenbart die Herkunft dieser Supraleitung. Im Bereich der Oberflächen elektronische Zustände stoßen bei bestimmten hochsymmetrischen Punkten im Impulsraum auf eine Van-Hove-Singularität. Dies bedeutet, dass dort die effektive Elektronendichte und somit die elektronischen Korrelationen signifikant verstärkt sind. Diese Singularität befindet sich sehr nahe im Energiespektrum am Ferminiveau und ist durch eine charakteristische Sattelpunkt-Dispersion in der zweidimensionalen Oberfläche gekennzeichnet.
Die erhöhte Dichte von Zuständen an der Van-Hove-Stelle kann dazu führen, dass selbst schwache elektronische Wechselwirkungen die Bildung von Paarungen begünstigen und so Supraleitung auf der Oberfläche stabilisiert wird. Diese Erkenntnis schließt eine wichtige Lücke im Verständnis von Wechselwirkungen in topologischen Quantenmaterialien, wobei zuvor meist der Fokus entweder auf Volumenphänomenen oder durch externe Materialien induzierten Oberflächeneffekten lag. ZrAs₂ bietet hier eine natürliche Plattform für zweidimensionale ungewohnte Supraleitung, die aus der intrinsischen Topologie des Materials und den elektronischen Besonderheiten an der Oberfläche hervorgeht. Neben dem experimentellen Nachweis ist die Untersuchung der Symmetrieeigenschaften und möglichen Kopplungsmechanismen von zentraler Bedeutung. Die Kombination von Dirac-artigen quasifreien Teilchen an den Nodal-Linien mit der Van-Hove-Singularität und dem damit verbundenen elektronischen Korrelationsenhancement eröffnet potenziell exotische Paarungszustände, wie etwa topologisch geschützte Supraleitung oder die Bildung von Majorana-Quasiteilchen.
Solche exotischen Zustände sind nicht nur für das grundlegende Verständnis von kondensierter Materie interessant, sondern haben auch enorme Bedeutung für die zukünftige Quantencomputing-Technologie, da sie besonders robust gegenüber Störungen sind. Die experimentellen Methoden, mit denen diese Phänomene identifiziert wurden, umfassen präzise Transportmessungen mit variabler Temperatur und Magnetfeldorientierung, hochauflösende ARPES zur Abbildung der Bandstruktur und ihres Energieprofils sowie magnetische Charakterisierungen mittels Muonspin-Relaxation (μSR). Bemerkenswert ist, dass trotz des klaren Nullwiderstandssignals im Transport keine volumetrische Supraleitung detektiert wurde, was durch die ausschließliche Oberflächennatur der Supraleitung erklärt wird. Die Photonenergie-abhängigen ARPES-Messungen bestätigen eindeutig den Oberflächencharakter der Van-Hove-Niveau-Singularität, da sich deren Spektren in Abhängigkeit von der Photonenergie nicht verändern, ein typisches Merkmal für zwei-dimensionale Oberflächen-Elektronenzustände. Im Gegensatz dazu variieren bulkzustandsbedingte Spektren mit Anregungsenergie.
Zudem wird überlegt, wie die Oberflächenbeschaffenheit, etwa die wenige Einheiten umfassende Schichtdicke der supraleitenden Zone, mit der Glättung und Limitierung des Supraleitungsverhaltens zusammenhängt. Die Kohärenzlänge der Cooper-Paare an der Oberfläche wurde auf etwa 70 Nanometer bestimmt, während die Dicke des supraleitenden Bereichs im Nanometriebereich liegt – eine weitere Bestätigung der extrem niedrigen Dimensionalität des Supraleitungsphänomens. Im Vergleich dazu liegt das Volumen der Probe um Größenordnungen höher, was die Unauffindbarkeit von volumetrischer Supraleitung im μSR-Experiment erklärt. Die theoretischen Arbeiten zu diesem Thema prognostizieren zudem, dass topologische Knotenlinienmaterialien höchste Versprechen für neuartige Supraleitungsphänomene bergen, einschließlich hierarchischer topologischer Zustände und nicht-trivialer Symmetriebrechungen. Insbesondere die Verbindung zwischen zweidimensionalen (2D) Van-Hove-Singularitäten und der Topologie der Bandstruktur hebt ZrAs₂ in die Reihe von Materialsystemen mit potenzieller Nutzung in fortschrittlichen Quantentechnologien.
Diese Erkenntnisse eröffnen auch eine Perspektive jenseits bisheriger Ansätze, welche für oberflächennahe Supraleitung auf Proximitätseffekten beruhten, also der supraleitenden Induktion durch Kontakt mit einem Supraleiter. Im aktuellen Fall entsteht Supraleitung in einem intrinsischen, topologisch geprägten Material komplex und dennoch kontrolliert durch die eigene elektronische Struktur – eine völlig neue Herangehensweise. Die praktische Herstellung dieser Kristalle basiert auf chemischem Transport und präziser Kristallwachstumsführung, was die reproduzierbare Untersuchung hochwertiger Proben gewährleistet. Die Zuverlässigkeit der Struktur- und Kompositionsanalysen ist hoch und unterstützt die Glaubwürdigkeit der tiefen Erkenntnisse. Für die Zukunft stehen spannende Herausforderungen bevor: Die systematische Erforschung der Kopplungsmechanismen der Oberfläche, das gezielte Anheben der Van-Hove-Energie durch Elektronendoping oder Druck sowie Untersuchungen zu möglichen Majorana-Quasiteilchen und deren Manipulation.
Ferner bieten ZrAs₂ und ähnliche Materialien eine Brücke zwischen theoretisch vorhergesagter topologischer Supraleitung und deren experimenteller Realisierung auf der Nanometerskala. Insgesamt zeigt die Untersuchung von ZrAs₂, dass Oberflächenzustände in topologischen Halbleitern ein außergewöhnliches Spielfeld für die Entdeckung und das Verständnis neuartiger Supraleitung darstellen. Die Van-Hove-Singularitäten fungieren hierbei als Verstärker der elektronischen Wechselwirkungen und bringen so korrelierte Elektronensysteme hervor, die an der Grenze zwischen Topologie und konventioneller Supraleitung stehen. Dieses Wissen wird die Entwicklung zukünftiger Quantenmaterialien und Techniken vorantreiben, die robuste, zweidimensionale Supraleiter für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und darüber hinaus ermöglichen.
