15. April 2026, von MIN-Dekanat

Foto: UHH/MIN/Zahner

Forschende der Universitäten Hamburg, Kiel und Groningen haben untersucht, wie sich unterschiedliche topologische Supraleiter an ihren Grenzflächen verhalten. Ihre Ergebnisse zeigen, dass das gezielte Zusammenspiel magnetischer und supraleitender Eigenschaften zur Ausbildung neuartiger, spin-polarisierter Randzustände führt – mit vielversprechendem Potenzial für künftige Quantentechnologien. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Nature Communications.

Magnetismus und Supraleitung gelten in der Physik traditionell als Gegensätze. Während Supraleiter elektrische Ströme verlustfrei transportieren, zerstört Magnetismus in der Regel genau diesen Zustand. Unter bestimmten Bedingungen kann ihre Kombination jedoch zu einem besonderen Quantenzustand führen – der sogenannten topologischen Supraleitung. Diese zeichnet sich durch robuste elektronische Zustände aus, die an den Grenzen eines Materials auftreten und gegenüber äußeren Störungen weitgehend geschützt sind.
Im Zentrum der aktuellen Studie steht die Frage, was geschieht, wenn zwei unterschiedliche topologische Supraleiter direkt aufeinandertreffen. Dazu untersuchte das Forschungsteam ultradünne Manganschichten von nur einer beziehungsweise zwei Atomlagen Dicke, die mit dem supraleitenden Metall Tantal kombiniert wurden. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die magnetische Ordnung der Manganschichten.

Abbildung 1: Energiedispersion eines nodal-point Supraleiters. Die rote Fläche stellt die Fermienergie dar und die Positionen der nodal-points sind in lila markiert. (Bild: CAU Kiel/Nickel)

„Unsere Experimente zeigen, dass in diesen dünnen Lagen die magnetischen Momente benachbarter Atome entgegengesetzt ausgerichtet sind – eine Ordnung, die als antiferromagnetisch bezeichnet wird“, sagt Felix Zahner vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg.
Diese spezielle Konfiguration führt zu einer Form der topologischen Supraleitung, bei der die Energielücke nicht durchgehend besteht, sondern an bestimmten Punkten verschwindet. Fachleute sprechen hier von „nodal-point-Supraleitung“. Mithilfe hochauflösender Rastertunnelmikroskopie und begleitender theoretischer Simulationen konnte das Team erstmals zeigen, dass zwei solche unterschiedlichen Zustände nicht nahtlos ineinander übergehen. Stattdessen bilden sich an ihrer Grenzfläche klar abgegrenzte topologische Randzustände aus.

Abbildung 2: Rastertunnelmikroskopie Aufnahme einer Mangan Doppellageninsel auf der Mangan Monolage, gemessen an der Fermienergie, mit Randzuständen an den Übergängen. Breite des Bildes ist etwa 7 nm. (Bild: UHH/MIN/Zahner)

Ein weiterer zentraler Befund: Diese Randzustände können spin-polarisiert sein. Das bedeutet, dass die magnetischen Eigenschaften der Manganschichten direkt in die elektronischen Zustände an der Grenzfläche eingeprägt werden. Eine an der Universität Hamburg verwendete spezielle Messmethode ermöglichte es, diesen Effekt experimentell nachzuweisen. Dr. Felix Nickel von der Universität Kiel merkt dazu an: „Mit unserem theoretischen Modell konnten wir diesen Effekt auf intrinsische Eigenschaften der beiden Materialien zurückführen. Daraus folgt, dass es sich um einen allgemeinen Effekt handelt, der auch in anderen Materialien auftreten kann.“
Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die gezielte Erzeugung und Kontrolle topologisch geschützter Zustände. Insbesondere für die Entwicklung spintronischer Bauelemente und stabiler Quantencomputer könnten solche Systeme künftig eine wichtige Rolle spielen.