Following the first experimental realization of graphene, other ultrathin materials with unprecedented electronic properties have been explored, with particular attention given to the heavy group-IV elements Si, Ge and Sn. Two-dimensional buckled Si-based silicene has been recently realized by molecular beam epitaxy growth, whereas Ge-based germanene was obtained by molecular beam epitaxy and mechanical exfoliation. However, the synthesis of Sn-based stanene has proved challenging so far. Here, we report the successful fabrication of 2D stanene by molecular beam epitaxy, confirmed by atomic and electronic characterization using scanning tunnelling microscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, in combination with first-principles calculations. The synthesis of stanene and its derivatives will stimulate further experimental investigation of their theoretically predicted properties, such as a 2D topological insulating behaviour with a very large bandgap, and the capability to support enhanced thermoelectric performance, topological superconductivity and the near-room-temperature quantum anomalous Hall effect.

Recently, theory has predicted a Majorana zero mode (MZM) to induce spin selective Andreev reflection (SSAR), a novel magnetic property which can be used to detect the MZM. Here, spin-polarized scanning tunneling microscopy or spectroscopy has been applied to probe SSAR of MZMs in a topological superconductor of the ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}/{\mathrm{NbSe}}_{2}$ heterostructure. The zero-bias peak of the tunneling differential conductance at the vortex center is observed substantially higher when the tip polarization and the external magnetic field are parallel rather than antiparallel to each other. This spin dependent tunneling effect provides direct evidence of MZM and reveals its magnetic property in addition to the zero energy modes. Our work will stimulate MZM research on these novel physical properties and, hence, is a step towards experimental study of their statistics and application in quantum computing.

Majorana fermions have been intensively studied in recent years for their importance to both fundamental science and potential applications in topological quantum computing1,2. Majorana fermions are predicted to exist in a vortex core of superconducting topological insulators3. However, they are extremely difficult to be distinguished experimentally from other quasiparticle states for the tiny energy difference between Majorana fermions and these states, which is beyond the energy resolution of most available techniques. Here, we overcome the problem by systematically investigating the spatial profile of the Majorana mode and the bound quasiparticle states within a vortex in Bi2Te3/NbSe2. While the zero bias peak in local conductance splits right off the vortex center in conventional superconductors, it splits off at a finite distance ~20nm away from the vortex center in Bi2Te3/NbSe2, primarily due to the Majorana fermion zero mode. While the Majorana mode is destroyed by reducing the distance between vortices, the zero bias peak splits as a conventional superconductor again. This work provides strong evidences of Majorana fermions and also suggests a possible route to manipulating them.

Topological insulators are a recently discovered class of materials with fascinating properties: While the inside of the solid is insulating, fundamental symmetry considerations require the surfaces to be metallic. The metallic surface states show an unconventional spin texture, electron dynamics and stability. Recently, surfaces with only a single Dirac cone dispersion have received particular attention. These are predicted to play host to a number of novel physical phenomena such as Majorana fermions, magnetic monopoles and unconventional superconductivity. Such effects will mostly occur when the topological surface state lies in close proximity to a magnetic or electric field, a (superconducting) metal, or if the material is in a confined geometry. Here we show that a band bending near to the surface of the topological insulator Bi$_2$Se$_3$ gives rise to the formation of a two-dimensional electron gas (2DEG). The 2DEG, renowned from semiconductor surfaces and interfaces where it forms the basis of the integer and fractional quantum Hall effects, two-dimensional superconductivity, and a plethora of practical applications, coexists with the topological surface state in Bi$_2$Se$_3$. This leads to the unique situation where a topological and a non-topological, easily tunable and potentially superconducting, metallic state are confined to the same region of space.

We report a Rashba spin splitting of a two-dimensional electron gas in the topological insulator Bi$_2$Se$_3$ from angle-resolved photoemission spectroscopy. We further demonstrate its electrostatic control, and show that spin splittings can be achieved which are at least an order-of-magnitude larger than in other semiconductors. Together these results show promise for the miniaturization of spintronic devices to the nanoscale and their operation at room temperature.

We have investigated the structures and electronic properties of ultrathin Bi(110) films grown on an $s$-wave superconductor substrate using low-temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Remarkably, our experimental results validate the theoretical predictions that the manipulation of Bi(110) surface atom buckling can control the topological phase transition. Notably, we have observed robust unreconstructed edge states at the edges of both three- and four-bilayer Bi(110) films, with the four-bilayer film displaying stronger edge state intensity and a smaller degree of atomic buckling. First-principles calculations further substantiate these findings, demonstrating a gradual reduction in buckling as the film thickness increases, with average height differences between two Bi atoms of approximately 0.19, 0.10, 0.05, and 0.00 \AA{} for the one-, two-, three-, and four-bilayer Bi(110) films, respectively. When Bi films are larger than two layers, the system changes from a trivial to a nontrivial phase. This research sets the stage for the controlled realization of topological superconductors through the superconducting proximity effect, providing a significant platform for investigating Majorana zero modes and fabricating quantum devices.