1937年，物理學家埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）把描寫費米子的基本運動方程（狄拉克方程）分解成電荷共軛不變的兩部分（即馬約拉納方程），得到了“自己是自己的反粒子”的馬約拉納費米子。八十一年來，馬約拉納費米子的相關研究一直是物理學最前沿的問題之一。高能物理領域一直在尋找中微子是馬約拉納費米子的實驗證據，如果證實，將是繼發現希格斯波色子後的又一重大發現。
近二十年來凝聚態物理領域湧現出許多激動人心的理論預言以及新奇實驗現象。如果我們把宇宙中真實的基本粒子看作是某種量子基態的激發，固體材料中滿足同一運動方程的準粒子就可以看作是基本粒子在高階場（具有空間群對稱性的晶體）中的對偶。固體材料中的新奇費米子研究成為了近年來凝聚態物理和拓撲材料領域的一大熱點。除了具有真實粒子對應的狄拉克費米子（Na3Bi）、外爾費米子（TaAs）之外，凝聚態物理學家們還在固體材料中發現了超越宇宙對稱性保護下存在的奇異準粒子，如沙漏費米子（KHgSb）、三重簡併費米子（MoP）等。在此類研究日臻完善的背景下，凝聚態物理中尋找馬約拉納準粒子仍然是一個懸而未決的問題。
馬約拉納費米子具有電中性。可以利用超導體準粒子電子空穴混合的性質妥善調製，實現符合馬約拉納費米子行為的準粒子激發。早在2000年左右，理論學家就預言零維的馬約拉納束縛態和一維的馬約拉納手性模式存在於p波超導體中。進一步研究發現零維的馬約拉納束縛態服從非阿貝爾任意子統計（Non-Abelian anyon），可以利用其編織（Braiding）操作構築拓撲量子比特，對實現拓撲量子計算具有巨大的應用價值。然而p波超導體極易受雜質影響，實驗實現極為困難。2008年，賓夕法尼亞大學的Liang Fu和C. L. Kane 開創性地利用超導近鄰效應，誘導非簡併的狄拉克拓撲表面態打開s波超導能隙（Fu-Kane Model），他們理論論證了馬約拉納束縛態存在於磁通渦旋中。這一可行的實驗方案激起了凝聚態領域理論和實驗學家的廣泛興趣。隨後凝聚態物理學家們在半導體納米線異質結（Delft／Copenhagen）、磁性原子鏈異質結 （Princeton）、拓撲絕緣體異質結（SJTU）中均報道了馬約拉納束縛態的證據。然而這些體系具有複雜的界面效應、極低的溫度和超導能隙偏小等限制，這使得馬約拉納束縛態的實驗信號與平庸態信號相互混合，不僅降低了實驗證據的可信性也限制了潛在的應用價值。仔細分析這些問題，就可以對症下藥，解決方案，列次其下：拓撲非平庸的單一材料、較高的本徵超導溫度、較強的電子關聯。將這些要求統一到單一材料中將為實現馬約拉納態束縛態清晰乾淨地直接觀測提供希望。
2014年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心丁洪研究組通過對強關聯鐵基超導體FeTe0.55Se0.45進行能帶表徵，實驗發現了狄拉克錐表面態的初步跡象（P. Zhang et al., APL 105, 172601 (2014)）。隨後他們與物理所方忠、戴希研究組合作從理論計算上表明這一能帶反轉具有拓撲非平庸的性質（Z.-J. Wang et al., Phys. Rev. B 92, 115119 (2015)）。與此同時，物理所胡江平研究組計算發現單層Fe(Te, Se)薄膜也可發生拓撲非平庸能帶反轉（X.-X. Wu et al., Phys. Rev. B 93, 115129 (2016)），之後丁洪研究組發現了相關實驗證據（X. Shi et al., Sci. Bull. 62, 503 (2017)）。2016年美國斯坦福大學張首晟研究組通過理論計算，進一步預言在合適的條件下FeTe0.5Se0.5 的磁通渦旋中會出現馬約拉納束縛態。2017年丁洪研究組與日本東京大學合作，利用超高分辨角分辨光電子能譜證實了拓撲表面態的存在並研究了拓撲能帶的性質（P. Zhang et al., Science 360, 182 (2018)）。實驗發現拓撲表面態具有較大的超導能隙（Δ）以及很小的費米能（EF），這使得上述要求在FeTe0.55Se0.45單一材料中有機的結合起來，為清晰乾淨地直接觀測馬約拉納束縛態提供了基礎。
從2017年4月開始，丁洪研究員和高鴻鈞院士緊密合作，他們共同指導博士生王東飛、孔令元、範朋、朱詩雨等在高鴻鈞研究組自主設計、集成組裝的兩臺獨立的He-3極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡（STM）聯合系統上開展工作。多年積累的強大的STM研究平臺和豐富的測量經驗為STM/S實驗的順利開展提供了有力保障。通過對大量樣品進行百餘次He-3低溫STM測量，成功在FeTe
0.55Se0.45單晶的磁通渦旋中實現了零能馬約拉納束縛態的大量重複觀測。這使得快速獲取大量實驗數據成為可能。與以往發表的實驗結果不同，探測到的馬約拉納束縛態峰位不隨空間位置變化，實驗峰寬接近於系統的能量分辨率。他們隨後驗證了馬約拉納束縛態在不同隧道結、磁場以及溫度下的行為。理論擬合顯示磁通渦旋中的馬約拉納束縛態來源於拓撲表面態超導的準粒子激發。與此同時，體態磁通渦線的準粒子熱激發會抑制表面的馬約拉納束縛態。這些結果表明，實驗觀測到的馬約拉納束縛態不與平庸的低能激發態混合，首次清晰地觀測到了純的馬約拉納束縛態。其較高的零能峰觀測溫度，暗示未來可以調控實現液氦溫度的馬約拉納束縛態。
相關研究結果於8月16日在Science雜誌在線發表。中科院物理所博士研究生王東飛、孔令元、範朋為共同第一作者，中科院物理所高鴻鈞、丁洪為共同通訊作者。美國布魯克海文國家實驗室顧根大提供了高質量的單晶，麻省理工學院傅亮提供了理論支持。該工作得到了科技部 (2013CBA01600, 2015CB921000, 2015CB921300, 2016YFA0202300), 國家自然科學基金委 (11234014, 11574371, 61390501), 和中國科學院(XDPB08-1, XDB07000000, XDPB0601)的支持。
圖一， FeTe0.55Se0.45單晶的能帶特徵及超導磁通渦旋
圖二，馬約拉納束縛態的空間及能量特徵
圖三，馬約拉納束縛態在隧道結以及溫度變化下的響應
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