Non linearità intrinseca delle giunzioni Josephson come origine alternativa della scomparsa del primo gradino di Shapiro

Perché un gradino mancante è importante

I dispositivi superconduttori noti come giunzioni Josephson sono centrali in molte visioni delle future tecnologie quantistiche. Quando queste giunzioni sono irradiate con microonde, la loro risposta elettrica sviluppa una serie di piattelli di tensione chiamati gradini di Shapiro. Da più di un decennio, la scomparsa del primo di questi gradini è stata salutata come possibile impronta di particelle esotiche chiamate modi di Majorana, che potrebbero alimentare computer quantistici tolleranti agli errori. Questo articolo pone una domanda cauta: un effetto perfettamente ordinario, non esotico, all’interno della giunzione potrebbe imitare questa firma vistosa?

Pietre miliari in una supercorrente

In una giunzione Josephson, due superconduttori sono collegati attraverso una regione sottile che può condurre corrente senza resistenza. Sotto irraggiamento a microonde, la curva tensione–corrente non aumenta più in modo regolare ma si blocca in una scala di piattelli piani. Ogni piattello, un gradino di Shapiro, corrisponde alla sincronizzazione dei ritmi interni della giunzione con le microonde applicate. Teorie precedenti suggerivano che se una giunzione ospitasse stati legati di Majorana, la corrente si ripeterebbe solo dopo che la fase è avanzata il doppio rispetto a un dispositivo ordinario. Il cosiddetto effetto Josephson frazionario dovrebbe cancellare selettivamente ogni altro gradino, a partire dal primo, rendendo la scomparsa del primo gradino di Shapiro un indizio allettante per nuova fisica.

Costruire un dispositivo di prova accurato

Gli autori hanno costruito giunzioni Josephson usando fette ultrafini del materiale WTe₂, che in altri contesti può ospitare stati elettronici topologici. Elettrodi di alluminio sono stati disegnati in modo da evitare deliberatamente il contatto con i bordi della lamina, sopprimendo contributi da canali di bordo dove i modi di Majorana potrebbero risiedere. Misure di base hanno mostrato una giunzione di trasparenza modesta con un netto punto di commutazione fra comportamento superconduttivo e normale ma con pochissima isteresi, un regime solitamente modellato con la descrizione standard “resistively and capacitively shunted”. Quando il team ha esposto questi dispositivi a microonde su un ampio intervallo di frequenze, ha effettivamente osservato il primo gradino di Shapiro sfumare a basse frequenze, oltre a caratteristiche più sottili di mezzogradino a frequenze più alte.

Un curioso zigzag nei dati

Analizzando più a fondo, i ricercatori hanno scoperto un pattern inaspettato a frequenze di microonde intermedie: un confine a zigzag tra le regioni corrispondenti a tensione nulla e al primo gradino di Shapiro. Questa transizione increspata è apparsa solo entro una finestra di frequenza ristretta e si è spostata in modo sistematico al variare della frequenza. I modelli tradizionali che invocano solo smorzamento della giunzione o semplici effetti di riscaldamento—due spiegazioni “convenzionali” comuni per gradini mancanti—potevano riprodurre l’accensione netta nella curva corrente–tensione ma non riuscivano a generare la caratteristica struttura a zigzag. Tale discrepanza suggeriva che fosse in gioco qualcosa di più intrinseco nel comportamento della giunzione.

Un nuovo modo di pensare alla resistenza

Per spiegare queste osservazioni, gli autori hanno esteso il modello familiare della giunzione permettendo al canale di corrente resistiva ordinario della giunzione di dipendere fortemente dalla tensione invece di rimanere costante. In questo modello non lineare, la resistenza effettiva aumenta drasticamente proprio al punto di commutazione per poi rilassarsi a tensioni maggiori. Con parametri ancorati alle curve corrente–tensione misurate, simulazioni numeriche basate su questa descrizione raffinata hanno riprodotto tutte le caratteristiche sperimentali chiave: l’accensione netta con isteresi minima, la perdita completa del primo gradino di Shapiro a basse frequenze di eccitazione, la comparsa di gradini a mezzo intero alle alte frequenze e—cosa cruciale—il confine a zigzag tra i gradini più bassi che il modello standard non riusciva a catturare.

Rivedere un indizio quantistico popolare

Nel complesso, questi risultati mostrano che la scomparsa del primo gradino di Shapiro da sola non prova la presenza di modi di Majorana o di altri stati quantistici esotici. Al contrario, il lavoro dimostra che una non linearità intrinseca nel modo in cui i quasiparticelle ordinarie scorrono attraverso una giunzione di trasparenza modesta può imitare questa firma ampiamente discussa, anche in dispositivi dove i contributi topologici sono stati deliberatamente soppressi. Il caratteristico pattern a zigzag identificato qui emerge come un diagnostico pratico: la sua presenza indica una fisica convenzionale non lineare piuttosto che nuovi tipi di particelle. Per i ricercatori alla ricerca di stati quantistici robusti, il messaggio è chiaro—i loro spettri a microonde devono essere esaminati in dettaglio e interpretati con cautela prima di rivendicare evidenze di superconduttività basata su Majorana.

Citazione: 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

Parole chiave: Giunzioni Josephson, Gradini di Shapiro, Firme di Majorana, trasporto non lineare, Dispositivi WTe2