Non-linéarité intrinsèque des jonctions Josephson comme origine alternative de la disparition du premier pas de Shapiro

Pourquoi la disparition d’un pas est importante

Les dispositifs supraconducteurs appelés jonctions Josephson sont au cœur de nombreuses visions des technologies quantiques à venir. Lorsqu’on éclaire ces jonctions avec des micro‑ondes, leur réponse électrique adopte une série de plateaux de tension appelés pas de Shapiro. Depuis plus d’une décennie, la disparition du tout premier de ces pas a été présentée comme un possible indice de particules exotiques appelées modes de Majorana, qui pourraient permettre des ordinateurs quantiques tolérants aux fautes. Cet article pose une question sobre : un effet parfaitement ordinaire et non exotique au sein même de la jonction pourrait‑il mimer cette signature spectaculaire ?

Des marches dans un courant supraconducteur

Dans une jonction Josephson, deux supraconducteurs sont reliés par une région mince qui peut transporter un courant sans résistance. Sous irradiation micro‑ondes, la courbe tension–courant ne monte plus de façon continue mais se bloque en une série de plateaux plats. Chaque plateau, un pas de Shapiro, correspond à la synchronisation des rythmes internes de la jonction avec les micro‑ondes appliquées. Les théories antérieures suggéraient que si une jonction hébergeait des états liés de Majorana, le courant se répéterait seulement après que la phase ait avancé deux fois plus loin que dans un dispositif ordinaire. Ce soi‑disant effet Josephson fractionnaire devrait effacer sélectivement un pas sur deux, à commencer par le premier, faisant de la disparition du premier pas de Shapiro un indice séduisant pour une nouvelle physique.

Conception d’un dispositif de test rigoureux

Les auteurs ont construit des jonctions Josephson en utilisant des feuillets ultrafins du matériau WTe₂, qui, dans d’autres contextes, peut héberger des états électroniques topologiques. Des électrodes en aluminium ont été façonnées de manière à éviter délibérément de toucher les bords du feuillet, supprimant ainsi les contributions des canaux de bord où des modes de Majorana pourraient exister. Les mesures de base ont montré une jonction de transparence modeste avec un point de commutation net entre comportement supraconducteur et normal, mais très peu d’hystérésis, un régime généralement modélisé par la description standard « résistive et capacitive shuntée ». Lorsque l’équipe a exposé ces dispositifs à des micro‑ondes sur une large plage de fréquences, elle a effectivement observé l’atténuation du premier pas de Shapiro à basses fréquences, ainsi que des caractéristiques plus subtiles de demi‑pas à des fréquences plus élevées.

Un étrange zigzag dans les données

En regardant de plus près, les chercheurs ont mis au jour un motif inattendu à des fréquences micro‑ondes intermédiaires : une frontière en zigzag entre les régions correspondant à tension nulle et au premier pas de Shapiro. Cette transition coudée n’apparaissait que dans une fenêtre de fréquences étroite et se déplaçait de manière systématique lorsque la fréquence variait. Les modèles traditionnels faisant appel uniquement à l’amortissement de la jonction ou à de simples effets de chauffage — deux explications « conventionnelles » fréquentes pour la disparition de pas — pouvaient reproduire la commutation abrupte de la courbe courant–tension mais ne réussissaient pas à générer la structure en zigzag distinctive. Ce décalage suggérait qu’un comportement plus intrinsèque de la jonction était en jeu.

Une nouvelle façon de concevoir la résistance

Pour expliquer ces observations, les auteurs ont étendu le modèle familier de la jonction en permettant au canal de courant résistif ordinaire de dépendre fortement de la tension au lieu de rester constant. Dans ce modèle non linéaire, la résistance effective gonfle de manière spectaculaire précisément au point de commutation puis se relâche à des tensions plus élevées. Avec des paramètres ancrés sur les courbes courant–tension mesurées, des simulations numériques basées sur cette description affinée ont reproduit toutes les caractéristiques expérimentales clés : la commutation abrupte avec une hystérésis minimale, la disparition complète du premier pas de Shapiro à faibles fréquences d’excitation, l’apparition de pas demi‑entiers à hautes fréquences et — surtout — la frontière en zigzag entre les premiers plateaux que le modèle standard ne parvenait pas à capturer.

Repenser un indice quantique populaire

Pris dans leur ensemble, ces résultats montrent que la disparition du premier pas de Shapiro ne prouve pas à elle seule la présence de modes de Majorana ou d’autres états quantiques exotiques. Au contraire, le travail démontre qu’une non‑linéarité intrinsèque dans la façon dont des quasiparticules ordinaires traversent une jonction de transparence modeste peut mimer cette signature largement débattue, même dans des dispositifs où les contributions topologiques sont délibérément supprimées. Le motif en zigzag caractéristique identifié ici émerge comme un diagnostic pratique : sa présence indique une physique conventionnelle non linéaire plutôt que de nouveaux types de particules. Pour les chercheurs en quête d’états quantiques robustes, le message est clair — les spectres micro‑ondes doivent être examinés en détail et interprétés avec prudence avant de revendiquer des preuves d’une supraconductivité basée sur Majorana.

Citation: 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

Mots-clés: jonctions Josephson, pas de Shapiro, signatures de Majorana, transport non linéaire, dispositifs WTe2