在國際物理學(xué)界，馬約拉納費米子是由物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預(yù)言的一種基本粒子，其具有電中性且反粒子是自身。在凝聚態(tài)物理的材料體系中，被拓撲缺陷上束縛的馬約拉納準粒子，其產(chǎn)生湮滅算符滿足自共軛關(guān)系，通常呈現(xiàn)出零能電導(dǎo)信號，被稱為馬約拉納零能模。理論證明，馬約拉納零能模滿足非阿貝爾任意子統(tǒng)計規(guī)律，是實現(xiàn)容錯拓撲量子計算的主要路徑之一。

過去的幾年里，中國科學(xué)院物理研究所/中國科學(xué)院大學(xué)高鴻鈞團隊與丁洪團隊合作，利用其自主設(shè)計組裝的國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜（STM/S）聯(lián)合系統(tǒng)精確測量了FeTe0.55Se0.45單晶樣品的超導(dǎo)渦旋，得到了鐵基超導(dǎo)中的馬約拉納零能模的實驗證據(jù)(D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。隨后，他們針對馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問題，對鐵基超導(dǎo)中的馬約拉納零能模進一步研究，發(fā)現(xiàn)FeTe0.55Se0.45單晶樣品表面同時存在兩種不同類型的磁通渦旋，根據(jù)馬約拉納零能模的存在與否，磁通渦旋束縛態(tài)的量子化能級序列存在半整數(shù)位的偏移。他們給出了FeTe0.55Se0.45樣品表面馬約拉納零能模存在的微觀物理機制，澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質(zhì)(Nature Physics 15, 1181 (2019))。

已有的實驗提供了馬約拉納零能模存在的大量實驗證據(jù)，也解釋了馬約拉納零能模存在的微觀物理機制，但是在新奇物理現(xiàn)象豐富的凝聚態(tài)材料中，仍然需要更強有力的實驗證據(jù)證明零能模信號來源于馬約拉納準粒子，例如，量子化電導(dǎo)平臺的實驗觀測。在固體材料體系中，激發(fā)得到的馬約拉納準粒子具有本征的粒子-反粒子對稱性，其電子與空穴的組成成分相等。在超導(dǎo)體材料的測量中，一個入射的電子必然會帶來一個反射的空穴。超導(dǎo)體表面馬約拉納零能模的出現(xiàn)使得電子與空穴的隧穿概率相等并發(fā)生Andreev共振反射，產(chǎn)生獨特的量子化的電導(dǎo)平臺特征。該特征是馬約拉納零能模存在的關(guān)鍵性實驗證據(jù)。

圖1 FeTe0.55Se0.45表面磁通渦旋中的零能電導(dǎo)平臺

最近，高鴻鈞團隊與丁洪團隊進一步合作，利用其極低溫強磁場STM/S聯(lián)合系統(tǒng)開展了相關(guān)研究。他們通過連續(xù)可控改變針尖與FeTe0.55Se0.45單晶樣品之間的隧穿耦合強度，觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導(dǎo)平臺特征（圖1）。大量的實驗觀測表明，該電導(dǎo)平臺特征是受到馬約拉納本征電子/空穴對稱性保護的馬約拉納零能模所特有的，其他拓撲平庸的磁通渦旋束縛態(tài)并不存在這種電導(dǎo)平臺特征（圖2）。通過嚴謹?shù)膶嶒灉y量排除了超導(dǎo)本身電子態(tài)的影響，也排除了測量中發(fā)生量子化彈道輸運的可能。通過對磁通渦旋統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)了平臺電導(dǎo)值近量子化的分布規(guī)律，并進一步分析了可能導(dǎo)致平臺電導(dǎo)值小于量子化電導(dǎo)2e2/h的影響因素，系統(tǒng)能量展寬和準粒子中毒效應(yīng)（圖3）。整個測量過程保證了樣品與針尖狀態(tài)不會發(fā)生改變，測量過程可重復(fù)。這一系列實驗結(jié)果證明了平臺電導(dǎo)特征在馬約拉納零能模中普遍存在。

圖2 馬約拉納零能模的Andreev共振反射

這項研究工作利用STM/S技術(shù)，觀測到了磁通渦旋中馬約拉納零能模的近量子化電導(dǎo)平臺特征，給出了鐵基超導(dǎo)體中存在馬約拉納零能模的關(guān)鍵性實驗證據(jù)，為研究馬約拉納零能模和推動未來拓撲量子計算起到了重要的作用。相關(guān)研究結(jié)果于12月12日在《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表。中科院物理所、國科大博士生朱詩雨、孔令元、曹路和博士陳輝為共同第一作者，張余洋（國科大）、丁洪、高鴻鈞為共同通訊作者。美國布魯克海文國家實驗室研究員顧根大提供了高質(zhì)量的單晶樣品，麻省理工學(xué)院教授傅亮提供了理論支持。該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。

圖3 馬約拉納平臺電導(dǎo)值的變化規(guī)律