铁基超导体超导涡旋中的马约拉纳零能模是当前人们关注的前沿问题。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员丁洪、中科院院士高鸿钧与美国麻省理工学院教授Liang Fu通力合作，在铁基超导体FeTe0.55Se0.45单晶样品上发现了伴随马约拉纳零能模出现的涡旋束缚态能级序列半整数嬗移，反映了超导涡旋中马约拉纳零能模的拓扑本质。相关研究结果以长文 (Article) 形式于8月19日发表于《自然-物理学》（Nature Physics）。孔令元 (IOP)、朱诗雨 (IOP)、Michal Papaj (MIT)、陈辉 (IOP)为共同第一作者。丁洪、高鸿钧、Liang Fu为共同通讯作者。美国布鲁克海文国家实验室Genda Gu提供了高质量的单晶。

在凝聚态物理系统中，马约拉纳零能模是束缚在拓扑缺陷上的拓扑非平庸的准粒子激发，其产生湮灭算符满足自共轭关系，因此可以被近似看作真实宇宙中的马约拉纳费米子在低维凝聚态物理系统中的类比。理论证明，马约拉纳零能模满足非阿贝尔任意子统计规律，多个马约拉纳零能模的交换编织操作可以产生大量简并基态（量子比特），是实现容错拓扑量子计算的主要路径之一。

理论学家预测在多个体系中存在马约拉纳零能模，如5/2填充的分数量子霍尔效应（Pfaffian state）、手性p波超导体、BCS超导体/非平庸能带异质结（半导体纳米线、拓扑绝缘体、磁性原子链等等）。近十年来，人们在这些体系中多次观测到了马约拉纳零能模的迹象，然而不稳定的p波超导配对以及复杂的异质结结构限制了实验观测的可信度，不利于相关性质的进一步研究。自2014年起，物理所的联合研究团队首创了铁基超导体拓扑非平庸能带结构的研究方向。通过角分辨光电子能谱实验 (P. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 105, 172601 (2014)； X. Shi et al., Sci. Bull. 62, 503 (2017)； P. Zhang et al., Science 360, 182 (2018)) 和第一性原理计算 (Z.-J. Wang et al., Phys. Rev. B 92, 115119 (2015)； X.-X. Wu et al., Phys. Rev. B 93, 115129 (2016))，研究团队证明了高温铁基超导体FeTe0.55Se0.45中强拓扑绝缘体态与超导态可以共存，拓扑狄拉克表面态出现“自赋”的全能隙超导现象。高温超导电性和拓扑能带结合于单一材料有效避免了p波超导配对和异质结结构的困难，这为马约拉纳零能模的研究开辟了新天地。

2017年6月，高鸿钧/丁洪研究团队，利用高鸿钧研究组自主设计、集成组装的两台独立的He-3极低温强磁场扫描隧道显微镜（STM）联合系统精确测量了FeTe0.55Se0.45单晶样品的超导涡旋，清晰地观测到了鲁棒的零能涡旋束缚态 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。进一步实验分析表明，该零能束缚态是表面狄拉克电子超导配对诱发的马约拉纳零能模，而体态平庸电子对其形成没有贡献（在较高温度下反而对其有破坏作用）。由于样品的强关联性质，FeTe0.55Se0.45中的马约拉纳零能模与其它高能束缚态之间有很大的准粒子能隙，使得实验团队直接观测到了高纯度的马约拉纳零能模。随后这个结果被复旦大学、日本理化学研究所（RIKEN）等机构的独立研究团队所验证 (Q. Liu et al., Phys. Rev. X 8, 041056 (2018)； T. Machida et al., Nat. Mater. 18, 811 (2019))。拓扑非平庸的铁基超导体很快引起了学术界的广泛关注，据不完全统计，在短短两年时间内（2018年，2019年），预印本文库（arXiv）先后贴出了30多篇实验和理论文章聚焦铁基超导体“马约拉纳”相关物理。

虽然实验观测已经证明单一零能束缚态行为完全符合马约拉纳零能模的预期，但是之前的实验不能直接论证其准粒子激发的拓扑非平庸本质。而且最不幸的是，实验发现马约拉纳零能模只存在于部分超导涡旋中，这成了笼罩在“铁基马约拉纳载体”上空的一朵乌云。深入全面研究FeTe0.55Se0.45涡旋束缚态的复杂行为，直接论证马约拉纳零能模的拓扑本质，解明影响马约拉纳零能模存在或消失的微观机制，是证实超导涡旋中的马约拉纳零能模的必由之路，对妥善理解马约拉纳零能模的性质、发展拓扑量子计算具有深远的意义。