突破！拓扑半金属表面超导与范霍夫奇点的奇妙关联

在凝聚态物理领域，拓扑与超导的相互作用备受关注。为探究其奥秘，研究人员对 ZrAs2进行研究。发现其表面存在二维超导态及范霍夫奇点（vHs），这为研究低维量子拓扑与超导的相互作用提供了新方向。

　　在凝聚态物理的奇妙世界里，拓扑与超导的相互作用一直是科学家们热衷探索的神秘领域。拓扑材料中的电子能展现出独特的拓扑特性，就像拥有神奇 “魔力” 的小精灵，其行为与相对论粒子相似，为研究高能物理中的一些难以捉摸的现象提供了新途径，还能带来新奇的量子效应。而超导现象，零电阻和完全抗磁性的特性，更是吸引着无数科研人员深入探索。

目前，虽然已经发现了多种拓扑材料和超导材料，但对于拓扑材料表面态与体相拓扑电子态相关的界面研究还相对较少。在拓扑材料中，能引发表面态电子关联的机制尚不明确，比如在一些材料中预测存在的平带型鼓头态和费米能级附近的范霍夫奇点（vHs），它们与超导等电子序的关系还存在诸多疑问。在已发现的超导节点线化合物和 Kagome 超导体中，超导态的本质以及配对机制也没有明确的结论。为了解开这些谜团，来自美国普林斯顿大学（Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopy (B7), Department of Physics, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。

研究人员聚焦于 ZrAs₂这种属于非对称空间群 Pnma（No.62）的 Dirac 节点线半金属。他们通过一系列实验，发现了 ZrAs₂中存在一种非常规的二维超导态，这种超导态仅局限于晶体 ab 平面的上下表面。这一发现意义非凡，它为研究拓扑材料表面的超导现象提供了一个理想的材料平台，有助于探索低维量子拓扑与超导的相互作用，还可能为发现像 Majorana 费米子这样的非常规准粒子开辟道路。此外，这种表面受限的超导态在量子器件应用方面也展现出了潜在价值。该研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员在此次研究中主要运用了以下几种关键技术方法：首先是化学气相传输（CVT）技术，用于合成 ZrAs₂单晶；其次是第一性原理计算，在密度泛函理论框架下，利用 VASP 软件包研究电子结构；角分辨光电子能谱（ARPES）测量，在超高真空条件下对样品进行测量，以观察电子能带；还有各种电输运测量，包括在不同温度和磁场条件下进行测量。

一、ZrAs₂的电子能带结构
研究人员通过第一性原理计算，发现 ZrAs₂具有多个能带交叉点，形成了由镜像 M_y和滑移镜保护的四个节点环，是典型的节点线半金属。通过角分辨光电子能谱（ARPES）测量，进一步证实了计算结果，观察到的能带交叉与理论计算相符，尽管部分能带受矩阵元效应或 k_z展宽的影响有所抑制。在自旋轨道耦合存在的情况下，能带交叉会出现 2 - 58 meV 的能隙，但部分小能隙低于 ARPES 的能量分辨率，可忽略不计。

二、超导特性研究
对 ZrAs₂进行电输运测量时发现，在高温下其电阻随温度升高而增大，表现出金属特性；当温度降至 1.8 K 时，电阻突然降为零，开始出现超导现象。通过测量不同磁场方向下的磁电阻，发现超导具有各向异性，符合二维超导体的 Tinkham 公式，与三维超导体的 Ginzburg - Landau 各向异性质量模型存在偏差，表明其超导性处于二维极限。通过对温度依赖的上临界磁场进行测量和分析，进一步验证了这一点，并估算出零温面内相干长度和超导厚度。

三、Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）转变的观测
通过研究不同温度下的电压 - 电流关系，发现 ZrAs₂存在明显的 BKT 转变特征。在低温下，电压 - 电流关系呈现出与温度相关的幂律行为，通过分析确定了 BKT 转变温度约为 1.5 K。对超流体刚度的研究也证实了 BKT 转变的存在，且电阻随温度的变化符合 Halperin–Nelson 理论，表明 ZrAs₂的超导态接近纯超导态。此前，BKT 转变仅在准二维层状超导体和薄膜中被观察到，此次在 ZrAs₂中的发现具有重要意义。

四、表面范霍夫奇点（vHs）的发现
通过第一性原理计算和 ARPES 测量，研究人员发现 ZrAs₂在（001）表面的 X 点附近存在 vHs。vHs 源于表面态在特定能量下的交叉，形成了二维鞍点，导致态密度增强。通过光子能量依赖的 ARPES 研究，进一步确定 vHs 源于表面态，而非体相贡献。这种表面态的 vHs 与超导态处于同一平面，可能对超导态的稳定起到关键作用。

研究结论表明，ZrAs₂表面存在二维超导态和 vHs，vHs 增强的电子关联可能有助于稳定表面超导态。这一发现为拓扑超导领域提供了重要的研究平台，为探索低维量子拓扑与超导的相互作用提供了新方向，有望推动对非常规准粒子的研究，在量子器件应用方面也具有潜在价值。同时，该研究也为观察拓扑非平凡化合物表面的非常规超导性提供了新策略，不依赖于传统的超导邻近效应，为凝聚态物理领域的发展注入了新活力。