No linealidad intrínseca de las uniones de Josephson como un origen alternativo del primer escalón de Shapiro ausente

Por qué importa un escalón ausente

Los dispositivos superconductores conocidos como uniones de Josephson son centrales en muchas visiones de las futuras tecnologías cuánticas. Cuando estas uniones se exponen a microondas, su respuesta eléctrica desarrolla una serie de mesetas de voltaje llamadas escalones de Shapiro. Durante más de una década, la desaparición del primer escalón ha sido celebrada como una posible huella de partículas exóticas llamadas modos de Majorana, que podrían permitir la computación cuántica tolerante a fallos. Este artículo plantea una pregunta sobria: ¿podría un efecto perfectamente ordinario y no exótico en la propia unión imitar esta firma tan llamativa?

Peldaños en una corriente superconductor

En una unión de Josephson, dos superconductores están conectados a través de una región delgada que puede transportar corriente sin resistencia. Bajo irradiación de microondas, la curva tensión‑corriente deja de aumentar de forma continua y se bloquea en una escalera de mesetas planas. Cada meseta, un escalón de Shapiro, corresponde a la sincronización de los ritmos internos de la unión con las microondas aplicadas. Teorías previas sugerían que si una unión alojara estados ligados de Majorana, la corriente repetiría su patrón solo después de que la fase avanzara el doble que en un dispositivo ordinario. Ese llamado efecto Josephson fraccionario debería borrar selectivamente cada otro escalón, empezando por el primero, haciendo del escalón de Shapiro ausente una pista tentadora de nueva física.

Construyendo un dispositivo de prueba cuidadoso

Los autores construyeron uniones de Josephson usando láminas ultrafinas del material WTe₂, que en otros contextos puede albergar estados electrónicos topológicos. Se modelaron electrodos de aluminio evitando deliberadamente tocar los bordes de la lámina, suprimiendo contribuciones de canales de borde donde podrían existir modos de Majorana. Mediciones básicas mostraron una unión con transparencia moderada y un punto de conmutación nítido entre comportamiento superconductivo y normal pero con muy poca histéresis, un régimen que suele modelarse con la descripción estándar de "resistencia y capacitancia en paralelo". Cuando el equipo expuso estos dispositivos a microondas en un amplio rango de frecuencias, observaron efectivamente que el primer escalón de Shapiro se desvanecía a frecuencias bajas, así como características más sutiles de medio escalón a frecuencias más altas.

Un extraño zigzag en los datos

Mirando con más detalle, los investigadores descubrieron un patrón inesperado en frecuencias intermedias de microondas: un borde en zigzag entre las regiones correspondientes a voltaje cero y el primer escalón de Shapiro. Esta transición acodada apareció solo dentro de una ventana de frecuencia estrecha y se desplazó sistemáticamente al cambiar la frecuencia. Los modelos tradicionales que invocan solo amortiguamiento de la unión o efectos simples de calentamiento —dos explicaciones "convencionales" comunes para escalones ausentes— podían reproducir la conmutación pronunciada en la curva corriente‑voltaje pero no lograban generar la estructura distintiva en zigzag. Ese desfase sugirió que algo más intrínseco en el comportamiento de la unión estaba actuando.

Una nueva forma de pensar la resistencia

Para explicar estas observaciones, los autores extendieron el modelo familiar de la unión permitiendo que el canal de corriente resistiva ordinaria de la unión dependiera fuertemente del voltaje en lugar de mantenerse constante. En este modelo no lineal, la resistencia efectiva se hincha dramáticamente justo en el punto de conmutación y luego se relaja a voltajes más altos. Con parámetros anclados a las curvas corriente‑voltaje medidas, simulaciones numéricas basadas en esta descripción refinada reprodujeron todas las características experimentales clave: la conmutación nítida con histéresis mínima, la pérdida completa del primer escalón de Shapiro a bajas frecuencias de excitación, la aparición de escalones de medio entero a frecuencias altas y —crucialmente— el borde en zigzag entre los escalones más bajos que el modelo estándar no pudo capturar.

Repensando una pista cuántica popular

En conjunto, estos resultados muestran que la ausencia del primer escalón de Shapiro no prueba por sí sola la presencia de modos de Majorana u otros estados cuánticos exóticos. En cambio, el trabajo demuestra que una no linealidad intrínseca en cómo fluyen los cuasipartículas ordinarias a través de una unión de transparencia moderada puede imitar esta firma ampliamente discutida, incluso en dispositivos donde las contribuciones topológicas se han suprimido deliberadamente. El patrón en zigzag característico identificado aquí surge como un diagnóstico práctico: su presencia apunta a física convencional no lineal en lugar de nuevos tipos de partículas. Para los investigadores que buscan estados cuánticos robustos, el mensaje es claro: los espectros de microondas deben examinarse en detalle e interpretarse con cuidado antes de reclamar evidencia de superconductividad basada en Majorana.

Cita: Xu, L., Mai, S., Xu, M. et al. Intrinsic non-linearity of Josephson junctions as an alternative origin of the missing first Shapiro step. Commun Phys 9, 150 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02571-1

Palabras clave: Uniones de Josephson, Escalones de Shapiro, Firmas de Majorana, Transporte no lineal, Dispositivos WTe2