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. Die Arbeiten gehen auf ein Team um Professor Stefan Heinze von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zurück. Dazu untersuchten die Forschenden 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.

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.

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, Erstautor von der CAU 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.“