Врожденная нелинейность джозефсоновских контактов как альтернативное происхождение исчезающей первой ступени Шапиро

Почему исчезающая ступень важна

Сверхпроводящие устройства, известные как джозефсоновские контакты, являются ключевыми для многих концепций будущих квантовых технологий. Когда такие контакты облучают микроволнами, их электрический отклик образует серию плато по напряжению, называемых ступенями Шапиро. Более десяти лет исчезновение самой первой из этих ступеней рассматривалось как возможный отпечаток экзотических частиц — мод Майорана, которые могли бы служить основой для устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. В этой статье поставлен трезвый вопрос: не может ли совершенно обычный, неэкзотический эффект в самом контакте имитировать эту заметную подпись?

Ступени в сверхтоке

В джозефсоновском контакте два сверхпроводника связаны тонкой областью, способной проводить ток без сопротивления. Под микроволновым облучением кривая «напряжение–ток» перестаёт возрастать плавно и фиксируется в виде лестницы плоских плато. Каждое плато, ступень Шапиро, соответствует синхронизации внутренних ритмов контакта с приложенными микроволнами. Ранние теории предполагали, что если в контакте локализованы состояния Майорана, ток будет повторяться только после удвоения фазы по сравнению с обычным устройством. Так называемый дробный джозефсоновский эффект должен выборочно стирать каждую вторую ступень, начиная с первой, что делало исчезающую первую ступень заманчивым признаком новой физики.

Создание тщательно продуманного тестового устройства

Авторы изготовили джозефсоновские контакты из ультратонких пластинок материала WTe₂, который в других условиях может поддерживать топологические электронные состояния. Электроды из алюминия были спроектированы так, чтобы намеренно не касаться краёв пластинки, подавляя вклад краевых каналов, где могли бы располагаться моды Майорана. Базовые измерения показали контакты с умеренной прозрачностью, резкой точкой переключения между сверхпроводящим и нормальным состоянием, но с очень малой гистерезисностью — режим, обычно описываемый стандартной моделью «сопротивление и ёмкость в шунте». При облучении этих устройств микроволнами в широком диапазоне частот команда действительно наблюдала исчезновение первой ступени Шапиро на низких частотах, а также более тонкие полу‑ступени на высоких частотах.

Странный зигзаг в данных

При более тщательном рассмотрении исследователи выявили неожиданный узор на промежуточных микроволновых частотах: зигзагообразную границу между областями, соответствующими нулевому напряжению и первой ступени Шапиро. Это изломанное переходное поведение появлялось только в узком диапазоне частот и систематически смещалось при изменении частоты. Традиционные модели, в которых учитываются лишь затухание контакта или простые эффекты нагрева — две распространённые «обычные» причины исчезающих ступеней — могли воспроизвести резкое переключение на кривой ток–напряжение, но не могли создать характерную зигзагообразную структуру. Такое несоответствие указывало на то, что в работу вовлечён более внутренний, присущий самому контакту механизм.

Новый взгляд на сопротивление

Чтобы объяснить эти наблюдения, авторы расширили привычную модель контакта, допуская, что обычный, резистивный канал тока в контакте сильно зависит от напряжения, а не остаётся постоянным. В этой нелинейной модели эффективное сопротивление резко увеличивается прямо в точке переключения, а затем ослабевает при более высоких напряжениях. С параметрами, привязанными к измеренным кривым ток–напряжение, численные симуляции на основе этого уточнённого описания воспроизвели все ключевые экспериментальные особенности: резкое переключение с минимальной гистерезисностью, полную потерю первой ступени Шапиро при низких частотах возбуждения, появление полуцелых ступеней на высоких частотах и — что особенно важно — ту самую зигзагообразную границу между низшими ступенями, которую стандартная модель не могла захватить.

Переосмысление популярного квантового признака

В целом эти результаты показывают, что исчезновение первой ступени Шапиро само по себе не доказывает присутствие мод Майорана или других экзотических квантовых состояний. Вместо этого работа демонстрирует, что внутренняя нелинейность течения обычных квазичастиц через контакт с умеренной прозрачностью может имитировать этот широко обсуждаемый признак, даже в устройствах, где топологические вклады сознательно подавлены. Выявленный характерный зигзагообразный узор выступает в роли практического диагностического признака: его наличие указывает на нелинейную обычную физику, а не на новые типы частиц. Для исследователей, ищущих устойчивые квантовые состояния, посыл ясен — спектры в микроволновой области нужно тщательно изучать и аккуратно интерпретировать, прежде чем заявлять об обнаружении сверхпроводимости на основе мод Майорана.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Джозефсоновские контакты, Ступени Шапиро, Признаки Майорана, нелинейный транспорт, устройства WTe2