近年来，随着拓扑物态物理的飞速发展，拓扑材料在凝聚态物理领域掀起了革命性的浪潮。特别是在拓扑半金属的研究中，人们对低维电子态与超导现象之间的关系表现出了极大的兴趣。近日，一项关于范霍夫奇点（van Hove singularity，vHs）限定于拓扑半金属表面的开创性研究，引发了广泛关注。该研究不仅首次明确实验证据揭示了二维超导态严格局限于拓扑半金属ZrAs2的晶体表面，而且揭示了范霍夫奇点在此表面电子态中扮演的关键角色，极大地丰富了我们对低维超导新物理的理解。作为一种电子态的特殊奇异点，范霍夫奇点代表了电子态密度(DOS)的剧烈增强，源于二维态中能带的鞍点结构。高密度的电子态通常鼓励电子间的强烈关联，极有可能促进诸如超导、磁性或电荷序等电子有序态的形成。
在ZrAs2中，研究团队结合角分辨光电子能谱(ARPES)和第一性原理计算，从实验和理论上揭示了其(001)晶面表面存在的二维范霍夫奇点，该范霍夫奇点位于费米能级附近，靠近-65meV处，表明该区域电子的高密度聚集与能带拓扑紧密相关。这种定位的范霍夫奇点为激发表面强电子相关性与超导性创造了天然条件。与此对应的是，该材料晶体的表面显示出独一无二的二维超导特性。电阻率测量显示，ZrAs2单晶在其表面温度约为1.8K时发生超导转变，而且该超导态严格局限于晶体的ab晶面两侧表面层，厚度估计仅有约4.2纳米，相比于其相对较厚的体块，呈现实质上的二维特征。角度依赖的临界磁场测量进一步证实了这一点，超导临界场(Hc2)的角度变化符合二维超导Tinkham模型，而非三维各向异性吉尔伯特-朗道模型，明确排除了体态超导的可能性。更难能可贵的是，ZrAs2表面呈现了早已被理论预言但鲜有实验证据的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)转变。
这种二维超导相变与三维超导完全不同，其核心机制源于二维电子系统中涡旋-反涡旋成对的破裂。研究通过系统的电压-电流(V-I)关系测量及其功率律行为分析，精准捕捉到指数变化规律和临界指数，确认了BKT转变温度(TBKT)约为1.5K，高度契合超导转变温度。整套BKT理论框架中的超流刚度随温度的演化和Halperin-Nelson理论在电阻率温度依赖上的拟合结果，进一步坚实了二维表面超导的论断。对此，超导的二维局域性质意味着ZrAs2的体相并不参与超导，相应的磁性测量如μSR技术也未能探测出体态超导信号。表面超导的发现填补了现有拓扑半金属研究中的空白，突破了对单纯体态超导的固有限制，为探索界面或表面与低维拓扑态相关的多样化电子序提供了全新素材和思路。深入探讨ZrAs2的电子结构，研究团队通过结合密度泛函理论(DFT)计算和ARPES技术，揭示了该材料非平凡的能带拓扑，包括全晶体空间群Pnma保护下的多个诺德尔环---多条沿高对称路径形成的能带交叉线。
诺德尔环本身具备非平庸的拓扑性质，而沿垂直于晶面kz=0平面的投影产生的表面漂浮态和扁平带，也为形成范霍夫奇点提供了条件。值得注意的是，范霍夫奇点的存在源于两组表面态在高对称点\(\bar{X}\)处的鞍点能带结构：沿一方向呈现电子态色散，另一方向呈现空穴态色散，两者相汇合形成强烈的DOS峰，成为电子关联效应的“温床”。这种强DOS峰的表面特性，是传统三维体态中自行难以实现的，是拓扑保护表面态与几何结构共同作用的结果。电子关联的增强，也由此为形成强耦合甚至非常规超导对称性奠定物理基础。表面超导的稳定与范霍夫奇点共现，令ZrAs2成为研究拓扑物态与电子关联交织的理想范例，有望进一步引发自旋三重态、拓扑晶体超导或马约拉纳费米子的潜在出现。此外，超导厚度仅数纳米令其极具实验与应用价值，多纳米厚度的材料易于实现稳定观测，同时结构稳固，易于制备和操作。
ZrAs2中的二维超导现象优于以往发现的拥有弱二维特征的材料，比如四面体碲化物或准二维层状铜氧化物，进一步拓宽了实验物理对全新二维超导相的捕获范围。另一方面，将范霍夫奇点与拓扑半金属表面精准结合，也为量子材料设计开辟了新途径。通过调整化学掺杂、施加外压或电场，未来有望实现对范霍夫奇点位置及其DOS强度的调控，从而设计符合需求的低维超导器件或实现高温超导的突破。相比基于超导邻近效应诱导的表面超导，ZrAs2实现的原生表面超导更具内在稳定性和本征物理意义，使得其具有作为量子计算平台的潜力。同时，该材料的拓扑保护表面状态赋予了超导态一定的鲁棒性，能够抗御某些类型的局域缺陷和环境扰动。这对于实现可扩展且可控的量子比特及拓扑量子计算具有积极的促进作用。
在拓扑超导研究领域，ZrAs2的发现填充了长久以来缺乏理想材料的空白。既往体系中，诸如PtBi2或CaAgP虽然报告了表面超导，但都存在诸多争议，如超导的非均匀性、临界场极低或零抵抗未完全实现。相较之下，ZrAs2凭借其本征二维表面超导零阻状态、高临界场且具定量的BKT转变，为后续研究提供了可信赖的实验基石。归根结底，ZrAs2的拓扑非平凡诺德尔环、面内强关联范霍夫奇点及二维超导状态的极佳共存，为深入剖析电子关联、拓扑性质与超导配对间复杂关系铺设了坚实外交桥梁。未来研究可聚焦于揭示超导对称性本质，探寻表面态自旋结构与配对机制的耦合，还可以通过细致的隧穿谱学、扫描隧道显微镜及磁通量成像，直观解析BKT转变形成的涡旋动力学。整体而言，ZrAs2的发现不仅为凝聚态物理中的基础问题提供了实证样本，也对量子计算和低温电子器件开发具有重要推动价值。
通过范霍夫奇点引导的表面二维超导研究，凝聚态物理界迈出了一大步，距离揭开拓扑超导丰富的物理现象和应用前景又近了一步。
