Marches de Shapiro dans une jonction Josephson balistique basée sur un seul nanocristal Bi2Te2.3Se0.7

Pourquoi cela compte pour la technologie quantique future

Des ingénieurs du monde entier s’efforcent de construire des dispositifs quantiques capables de stocker et de manipuler l’information dans des états quantiques particulièrement robustes, parfois associés à des particules insaisissables appelées modes de Majorana. Une méthode courante pour rechercher ces états consiste à chercher une empreinte électrique singulière — des marches manquantes dans la réponse en tension d’un petit circuit supraconducteur. Cet article montre que même des effets tout à fait ordinaires comme le chauffage peuvent imiter cette empreinte, nous rappelant la nécessité de la prudence avant d’annoncer la découverte de nouvelles phases quantiques de la matière.

Un pont minuscule pour les courants supraconducteurs

L’étude porte sur un « pont » à l’échelle nanométrique appelé jonction Josephson, où une fine lamelle d’un matériau cristallin spécial est placée entre deux plots métalliques supraconducteurs. Le cristal, composé de bismuth, tellure et sélénium, appartient à une famille connue sous le nom d’isolants topologiques, dont les surfaces peuvent héberger des états électroniques exceptionnellement robustes. Dans cet appareil, les électrons traversent le cristal de façon très propre, presque sans collision — un régime connu sous le nom de transport balistique. Lorsque les électrodes en niobium de part et d’autre deviennent supraconductrices à basse température, elles induisent aussi la supraconductivité dans le cristal, permettant à un courant supraconducteur de circuler sans chute de tension dans des conditions appropriées.

Tensions en marches sous excitation micro-ondes

Lorsque cette jonction est exposée à un rayonnement micro-ondes, son comportement courant–tension présente une série de plateaux connus sous le nom de marches de Shapiro. Chaque marche correspond au verrouillage du rythme interne du courant supraconducteur sur le rythme externe des micro-ondes, produisant des valeurs de tension discrètes au lieu d’une rampe continue. Dans de nombreux matériaux, ces marches forment une séquence régulière : première, deuxième, troisième, etc. Cependant, certains états supraconducteurs exotiques devraient modifier ce schéma en supprimant les marches d’ordre impair, en particulier la toute première. Pour cette raison, les expérimentateurs ont considéré l’absence de la première marche comme un signe prometteur de supraconductivité topologique et de états liés de type Majorana dans la jonction.

Une disparition surprenante à basse fréquence

Les auteurs ont mesuré avec soin l’évolution des marches de Shapiro en faisant varier la fréquence et la puissance des micro-ondes dans leur jonction balistique. À des fréquences relativement élevées, au‑dessus d’environ 1,3 gigahertz, l’ensemble complet des marches inférieures — y compris la première — est apparu comme prévu lorsque l’excitation était suffisamment forte. Mais en réglant les micro-ondes vers des fréquences plus basses, sous 2 gigahertz, la première marche s’est progressivement affaiblie et, à des fréquences encore plus basses, elle a disparu de la mesure, tandis que les marches supérieures restaient visibles. À première vue, ce schéma ressemble fortement à la signature topologique recherchée : une première marche manquante dans une rampe de tensions par ailleurs régulière.

Le chauffage fait illusion à la place d’une physique exotique

Pour déterminer si un état réellement exotique était nécessaire pour expliquer ces observations, l’équipe a élaboré un modèle détaillé incluant deux ingrédients très terre-à-terre : des courants supraconducteurs ordinaires et un simple chauffage. Dans ce cadre, la jonction se comporte comme un élément Josephson standard shunté par une résistance, mais la température locale des électrons est autorisée à augmenter lorsque la puissance électrique est dissipée et à se refroidir par interaction avec le réseau cristallin. En résolvant les équations couplées du courant, de la tension et de la température, les chercheurs ont reproduit la caractéristique expérimentale clé — la perte sélective de la première marche à basse fréquence — sans avoir besoin de postuler un canal de courant exotique dominant. Ils ont aussi exploré des effets plus subtils, comme la tendance de la jonction à basculer entre états supraconducteur et résistif près d’un courant de « retrapping », qui peut masquer la marche la plus basse lorsque le chauffage est important.

Repenser un indice quantique populaire

Bien que l’appareil étudié ait précédemment montré des indices d’une supraconductivité non conventionnelle dans d’autres mesures, le présent travail montre que la disparition de la première marche de Shapiro dans ce dispositif peut s’expliquer entièrement, ou presque entièrement, par des effets thermiques conventionnels. En termes simples, la jonction chauffe simplement aux mauvais endroits et aux mauvais moments, brouillant la marche la plus basse de l’escalier de tensions. Les auteurs concluent que ce diagnostic largement utilisé — la recherche d’une première marche disparue sous excitation micro-ondes — ne peut à lui seul servir de preuve de supraconductivité topologique ou de modes de Majorana. Les expériences futures devront combiner plusieurs signatures soigneusement contrôlées et porter une grande attention aux processus banals comme le chauffage avant d’affirmer la découverte de nouveaux états quantiques.

Citation: Stolyarov, V.S., Kozlov, S.N., Yakovlev, D.S. et al. Shapiro steps in ballistic Josephson junction based on a single Bi₂Te_2.3Se_0.7 nanocrystal. Commun Mater 7, 91 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01095-z

Mots-clés: jonctions Josephson, supraconductivité topologique, marches de Shapiro, modes de Majorana, matériaux quantiques