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的丁洪研究组、高鸿钧研究组、靳常青研究组以及美国麻省理工学院傅亮研究组通力合作，在均一的LiFeAs超导体表面实现了本征杂质调控的涡旋马约拉纳零能模，系统深入地研究了涡旋马约拉纳零能模的物理机制，为铁基超导马约拉纳平台(铁马平台)研究从“以物理研究为主”的第一阶段进入“面向量子调控”的第二阶段指引了方向。
相关研究结果以长文(article)形式于7月6号在线发表于Nature Communications杂志。
铁马平台涡旋因为同时具备高温超导、强关联、大能隙、本征拓扑、单一材料、量子极限等特质，自2018年拓扑表面态和零能模相继发现以来，铁马平台涡旋正在成为马约拉纳零能模的理想材料载体和探索拓扑量子计算的主要选择之一。
在过去的几年里，涡旋马约拉纳零能模的实验研究进展丰富，人们相继实现了零能模空间无劈裂波函数的观测，零能峰极低温检验，揭示涡旋马约拉纳零能模拓扑本质的涡旋束缚态半整数能级嬗移，零能涡旋态近量子化平台电导，无序马约拉纳零能模晶格中复杂杂化行为研究等成果。
虽然铁马平台非常适合进行涡旋马约拉纳零能模的物理研究，但是材料不均匀和马约拉纳零能模不可控等因素使得现有材料体系很难进行面向拓扑量子比特构筑的实验探索。LiFeAs是化学计量比的铁基超导材料，并具有电中性的解理面，相较于其他铁马平台材料，其电子性质在体内和表面都很均匀。早期角分辨光电子能谱实验证明LiFeAs中具有丰富的拓扑能带结构，拓扑半金属态和拓扑绝缘体态都出现在费米能级附近。
然而早期的扫描隧道谱测量结果却与能带预期相悖——LiFeAs的涡旋中不存在零能模，这给铁马平台研究留下了疑窦。
为了探索更优的铁马平台材料并解决遗留问题，丁洪研究团队与高鸿钧研究团队开展紧密合作，利用其极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统对LiFeAs超导体的涡旋束缚态进行了全面研究。
研究团队发现，LiFeAs表面的自由涡旋中不存在零能涡旋束缚态，高分辨隧穿电导谱观测到两套涡旋束缚态，这一观测与早期扫描隧道谱测量结果一致。通过仔细测量，研究团队发现除自由涡旋外，LiFeAs表面的大部分超导涡旋出现在表面自发杂质位置，形成杂质辅助涡旋。
通过实验对比零场杂质态和磁场下涡旋态的隧穿电导谱，研究团队发现破坏四重对称性的复杂杂质可以极大地改变涡旋束缚态的行为，在杂质辅助涡旋中心产生孤立、稳定的零能涡旋束缚态，并且伴有具有空间色散的非零涡旋束缚态。实验发现零能涡旋束缚态的波函数中心偏离杂质中心，且其强度关于涡旋中心呈不对称分布。
在此基础上，研究团队进一步探索了LiFeAs涡旋中马约拉纳零能模的演生机理。
LiFeAs费米能级±10 meV范围内同时存在体态和表面态的Dirac点，涡旋束缚态的丰富行为可能与杂质附近能带匹配情况有关。在此思路指引下，研究团队仔细测量了隧穿电导谱+33 meV处鼓包特征(dxy能带顶)随空间位置的变化情况；实验结果显示，自发杂质附近存在几个毫电子伏特的局域电子掺杂，进一步的实验还发现，杂质对LiFeAs的局域调控程度与杂质势的强弱有关。
这些结果表明在杂质辅助涡旋周围，拓扑半金属态参与到了涡旋束缚态的激发。理论上证明狄拉克半金属态的涡旋准粒子激发是无能隙的，可以等效看作是存在两对一维的马约拉纳螺旋模，其隧穿电导谱为无特征。然而，破坏涡旋的旋转对称性可以使螺旋模打开能隙，孤立的马约拉纳零能模重新出现在涡线两端，在隧穿电导谱上表现为零偏压电导峰。
这项工作的创新之处可以总结为以下三点，(1)面向未来研究：发现了一个成分均一且具有良好调控潜力的材料载体，为铁马平台从“物理研究”走向“量子调控”指引了方向；(2)面向物理机理：首次提供了拓扑半金属态演生涡旋马约拉纳零能模的实验证据；(3)面向遗留问题：详细研究了LiFeAs涡旋束缚态的各种行为，解决了LiFeAs中由于涡旋马约拉纳零能模缺失导致的疑虑。
该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院先导专项、科技部和北京市科学技术委员会的支持。