Intrinsieke niet-lineariteit van Josephson-koppelingen als alternatieve oorsprong van de ontbrekende eerste Shapiro-stap

Waarom een ontbrekende stap ertoe doet

Supergeleiderschakelingen die bekendstaan als Josephson-koppelingen zijn centraal in veel visies op toekomstige quantumtechnologieën. Wanneer deze koppelingen worden bestraald met microgolven, ontwikkelt hun elektrische respons een reeks spanningsplateaus die Shapiro-stappen worden genoemd. Al meer dan een decennium wordt het verdwijnen van juist de allereerste van deze stappen gezien als een mogelijke vingerafdruk van exotische deeltjes die Majorana-modes worden genoemd en die fouttolerante quantumcomputers zouden kunnen aandrijven. Dit artikel stelt een nuchtere vraag: zou een volkomen gewone, niet-exotische werking in de koppeling zelf dit opvallende signaal kunnen nabootsen?

Treden in een superstroom

In een Josephson-koppeling zijn twee supergeleiders met elkaar verbonden via een dunne regio die stroom zonder weerstand kan geleiden. Onder microgolfbestraling stijgt de spanning–stroom-curve niet langer vloeiend maar vergrendelt in een trap van vlakke plateaus. Elk plateau, een Shapiro-stap, komt overeen met het synchroniseren van de interne ritmes van de koppeling met de aangelegde microgolven. Eerdere theorie suggereerde dat als een koppeling Majorana-gebonden toestanden herbergt, de stroom zich pas herhaalt nadat de fase tweemaal zo ver vooruitgaat als in een gewoon apparaat. Dat zogenaamde fractionele Josephson-effect zou om de andere stap selectief verwijderen, te beginnen met de eerste, waardoor de ontbrekende eerste Shapiro-stap een verleidelijke aanwijzing voor nieuwe fysica zou zijn.

Een zorgvuldig testapparaat bouwen

De auteurs construerenerden Josephson-koppelingen met ultradunne vlokken van het materiaal WTe₂, dat in andere contexten topologische elektronische toestanden kan herbergen. Aluminium-elektroden werden gepatterned zodat ze bewust de randen van de vlok niet raakten, waardoor bijdragen van randkanalen waar Majorana-modes zouden kunnen wonen werden onderdrukt. Basismetingen toonden een matig transparante koppeling met een scherpe omschakeling tussen supergeleidende en normale toestand maar zeer weinig hystere sis, een regime dat gewoonlijk wordt gemodelleerd met een standaard "resistief en capacitief ge-shunt" model. Toen het team deze apparaten blootstelde aan microgolven over een breed frequentiebereik, zagen ze inderdaad dat de eerste Shapiro-stap vervaagde bij lage frequenties, evenals subtielere half-stap kenmerken bij hogere frequenties.

Een vreemde zigzag in de gegevens

Nader onderzoek onthulde een onverwacht patroon bij intermediaire microgolffrequenties: een zigzaggrens tussen de gebieden die overeenkomen met nulspanning en de eerste Shapiro-stap. Deze geknikte overgang verscheen alleen binnen een smal frequentievenster en verschoof systematisch naarmate de frequentie veranderde. Traditionele modellen die alleen junction-demping of eenvoudige verhitting—twee gebruikelijke "conventionele" verklaringen voor ontbrekende stappen—aanvoeren, konden de scherpe omschakeling in de stroom–spanningscurve wel reproduceren maar faalden erin de karakteristieke zigzagstructuur te genereren. Die mismatch suggereerde dat er iets intrinsieks in het gedrag van de koppeling speelde.

Een nieuwe manier om weerstand te bekijken

Om deze waarnemingen te verklaren, breidden de auteurs het vertrouwde koppelingmodel uit door toe te staan dat het gewone, resistieve stroomkanaal van de koppeling sterk afhankelijk is van de spanning in plaats van constant te blijven. In dit niet-lineaire model zwelt de effectieve weerstand dramatisch op precies het omschakelpunt en ontspant zich vervolgens bij hogere spanningen. Met parameters verankerd aan de gemeten stroom–spanningscurves reproduceerden numerieke simulaties op basis van deze verfijnde beschrijving alle belangrijke experimentele kenmerken: de scherpe omschakeling met minimale hysteres is, het volledige verlies van de eerste Shapiro-stap bij lage aandrijf-frequenties, het verschijnen van half‑integer stappen bij hoge frequenties en—cruciaal—de zigzaggrens tussen de laagste stappen die het standaardmodel niet kon vastleggen.

Een populaire quantumaanwijzing heroverwegen

Gecombineerd laten deze resultaten zien dat de ontbrekende eerste Shapiro-stap op zichzelf niet het bewijs is voor de aanwezigheid van Majorana-modes of andere exotische quantumtoestanden. In plaats daarvan toont het werk aan dat een intrinsieke niet-lineariteit in hoe gewone quasideeltjes door een koppeling met bescheiden transparantie stromen, dit veelbesproken signaal kan nabootsen, zelfs in apparaten waarin topologische bijdragen bewust zijn onderdrukt. Het karakteristieke zigzagpatroon dat hier wordt beschreven, fungeert als een praktisch diagnostisch instrument: het duidt op niet-lineaire conventionele fysica in plaats van op nieuwe deeltjes. Voor onderzoekers die op zoek zijn naar robuuste quantumtoestanden is de boodschap duidelijk—microgolf­spectra moeten nauwgezet worden onderzocht en met zorg worden geïnterpreteerd voordat men bewijs claimt voor Majorana-gebaseerde superconductiviteit.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: Josephson-koppelingen, Shapiro-stappen, Majorana-signaturen, niet-lineair transport, WTe2-apparaten