Die Wissenschaft der Supraleitung, bei der elektrischer Strom ohne Widerstand durch Materialien fließt, steht seit Jahrzehnten im Fokus der physikalischen Forschung. Die jüngsten Fortschritte in der Erforschung topologischer Materialien haben jedoch eine völlig neue Dimension eröffnet. Insbesondere die Entdeckung, dass eine spezielle Art von Supraleitung ausschließlich auf der Oberfläche eines topologischen Halbleiters auftritt, hat die Aufmerksamkeit von Forschern weltweit auf sich gezogen. Im Kern dieser bahnbrechenden Erkenntnis steht die Van-Hove-Singularität, ein Begriff aus der Festkörperphysik, der eine besondere Form der elektronischen Zustandsdichte beschreibt und entscheidend für das Verständnis elektronischer Korrelationen ist. Topologische Halbleiter unterscheiden sich von herkömmlichen Materialien durch ihre elektronischen Eigenschaften, die sich aus der topologischen Ordnung der elektronischen Bandstrukturen ergeben.
Diese besitzen oft lineare oder ringförmige Bandkreuzungen, sogenannte Dirac- oder Nodal-Linien, die quasifreie Teilchen mit außergewöhnlichen Eigenschaften ermöglichen. Die existierende Forschung hat gezeigt, dass diese topologischen Eigenschaften nicht nur das Verhalten der Elektronen im Volumen des Materials prägen, sondern auch spezielle Zustände an den Oberflächen hervorrufen können. In vielen topologischen Halbleitern treten sogenannte Van-Hove-Singularitäten auf, die sich durch eine extrem erhöhte Zustandsdichte an bestimmten Energieniveaus auszeichnen. Diese Singularitäten resultieren aus Sattelpunkten in der elektronischen Bandstruktur und führen dazu, dass Elektronenzustände dort besonders häufig vertreten sind. Das hat zur Folge, dass elektronische Wechselwirkungen verstärkt werden können, was wiederum die Bildung von exotischen Phasen wie magnetischem Verhalten oder Supraleitung begünstigt.
Eine der neuesten Entdeckungen auf diesem Gebiet wurde an dem Dirak nodalen Liniensemimetall ZrAs2 vorgenommen. Forschungen zeigten, dass die Supraleitung nicht im gesamten Volumen des Materials stattfindet, sondern exklusiv auf der Oberflächenebene, genauer gesagt auf den Ober- und Unterseiten der Kristallstruktur, die in der sogenannten ab-Ebene definiert sind. Diese Form der Supraleitung ist bemerkenswert, weil sie mit einem sogenannten Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT)-Übergang einhergeht. Der BKT-Übergang ist ein Phänomen, das typisch für zweidimensionale Systeme ist und den plötzlichen Übergang zu einer supraleitenden Phase beschreibt, der durch die Bindung und Entbindung von Wirbel-Antiwirbel-Paaren bestimmt wird. Die direkte experimentelle Beobachtung dieses Übergangs auf einer Materialoberfläche stellt einen Meilenstein dar.
In früheren Studien an anderen Materialien wie PtBi2 oder CaAgP waren die Ergebnisse uneinheitlich oder lieferten keinen klaren Beweis für einen reinen Oberflächenübergang. Die Untersuchung von ZrAs2 hingegen untermauert mit umfangreichen Messungen und theoretischen Analysen, dass die Oberflächensupraleitung durch die Nähe einer zweidimensionalen Van-Hove-Singularität zum Fermi-Niveau verstärkt wird. Aufgrund der erhöhten elektronischen Zustandsdichte entstehen starke Wechselwirkungen, die die Ausbildung von Cooper-Paaren—den Trägern der Supraleitung—erleichtern. Die topologische Natur des Materials bewirkt dabei eine zusätzliche Schutzwirkung gegen äußere Störungen und Verunreinigungen, was für technologische Anwendungen enorm vorteilhaft ist. So könnten neuartige Quantencomputer oder energiesparende elektronische Bauelemente von solchen Oberflächensupraleitern profitieren.
Die Untersuchung der elektronischen Bandstruktur von ZrAs2 wird durch moderne Methoden wie die Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) ermöglicht. Diese Technik bietet die Möglichkeit, direkte Einblicke in die Energie-Momentum-Verteilungen der Elektronen zu erhalten und so die Existenz der Van-Hove-Singularitäten und der topologischen Bandknotendichte sichtbar zu machen. Ergänzend werden leistungsfähige theoretische Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie durchgeführt, die den experimentellen Befund bestätigen und die Oberflächenzustände klar von Volumenzuständen abgrenzen. Transportmessungen bei sehr niedrigen Temperaturen offenbaren dann den Nullwiderstandsübergang, der typisch für supraleitende Phasen ist. Die Variation des Magnetfeldes, insbesondere seine Orientierung bezüglich der Kristalloberfläche, hilft dabei, die Dimensionen der supraleitenden Phase zu charakterisieren.
Bei ZrAs2 entspricht die gemessene Anisotropie exakt dem Verhalten eines zweidimensionalen supraleitenden Systems, was wiederum die Oberflächenbindung der Supraleitung bestätigt. Während herkömmliche Supraleiter meist die gesamte Probenmasse durchdringen, ist die Oberflächenbindung ein bemerkenswerter Vorteil für die Entwicklung nanoskaliger Technologien. Sie ermöglicht es, in einem festen Kristall präzise kontrollierte zweidimensionale supraleitende Schichten bereitzustellen, ohne auf aufwändige Schichtaufbauten zurückgreifen zu müssen. Damit entstehen neue Möglichkeiten für das Verständnis und die Anwendung von Topologie in der Festkörperphysik. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die Oberflächen-van-Hove-Singularität ein natürlicher Verstärker elektronischer Korrelationen ist.
Diese Korrelationen können in anderen Kontexten zu komplexeren Ordnungen führen, wie der Herausbildung von Spinordnungen oder der Entstehung von ungewöhnlichen Quasiteilchen, beispielsweise Majorana-Fermionen. Das Vorhandensein dieser Singularität nahe der Oberfläche liefert einen „Spielplatz“ für die Erforschung solcher exotischen Zustände und könnte wegweisend für die Realisierung robusterer und vielseitiger Quantencomputersysteme sein. Die Herausforderungen bei der Erforschung derartiger Systeme liegen einerseits bei der präzisen Herstellung hochreiner Kristalle mit gut definierten Oberflächen, andererseits bei hochauflösenden, empfindlichen Messtechniken, die Oberflächenphänomene von Volumeneffekten unterscheiden können. Fortschritte in der Kristallzucht, wie die chemische Gastransportmethode, und der kontinuierliche Ausbau von Synchrotronlichtquellen erlauben heute solche Untersuchungen im Detail. Zukunftsträchtige Forschungsbereiche eröffnen sich durch die Wechselwirkung von Oberflächenzuständen mit externen Feldern, maßgeschneiderten Verzerrungen und Dotierungen.
So kann die Position der Van-Hove-Singularität gezielt manipuliert werden, um den Übergang in die Supraleitung zu optimieren oder zu steuern. Ähnlich wie bei der Entdeckung von Supraleitung in verdrehten Graphenlagen, deren hervorstechendes Merkmal eine starke bandenbezogene Van-Hove-Singularität ist, könnte auch bei topologischen Halbleitern der Raum für eine neue Generation von supra- oder sogar topologisch supraleitenden Systemen geöffnet werden. Die Integration von Materialien wie ZrAs2 in elektronische Bauelemente oder Quanteninstrumente ist noch in den Kinderschuhen, doch die Grundlagenforschung legt dabei den Grundstein. Die robusten, oberflächengebundenen supraleitenden Zustände eröffnen Potentiale für neuartige Sensoren, energiesparende Übertragungskabel und Komponenten für spinbasierte Quantentechnologien. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erforschung der Van-Hove-Singularitäten an der Oberfläche topologischer Semimetalle eine wegweisende Entwicklung darstellt.
Sie verbindet fundamentale physikalische Konzepte mit praktischen Perspektiven und ermöglicht damit eine Brücke zwischen dem theoretischen Verständnis der Quantenmaterie und realisierbaren Technologien. Die Kombination von Zweidimensionalität, Topologie und verstärkten elektronischen Wechselwirkungen weist dabei den Weg zu einem neuartigen Paradigma in der Supraleitung, das nicht nur die Grenzen der Wissenschaft verschiebt, sondern auch das Tor zu einer nachhaltigeren und effizienteren Technologie öffnet.
