约瑟夫森结的内在非线性作为缺失首个夏皮罗阶的另一种起源

缺失阶为什么重要

被称为约瑟夫森结的超导器件在许多未来量子技术设想中处于核心位置。当这些结受到微波照射时，它们的电学响应会出现一系列称为夏皮罗阶的电压平台。十多年来，第一个夏皮罗阶的消失一直被认为可能是称为马约拉纳模的奇异粒子的指纹，这类粒子可能用于容错量子计算。本文提出了一个冷静的问题：结本身是否可能存在一种完全普通、非奇异的效应，能够模仿这种引人注目的信号？

超电流中的阶梯

在约瑟夫森结中，两个超导体通过一段能无阻抗传导电流的薄区域相连。在微波照射下，电压—电流曲线不再平滑上升，而是锁定成一阶阶的平板。每一个平台，即一个夏皮罗阶，对应着结内部节律与施加微波同步的情况。早期理论表明，如果结中存在马约拉纳束缚态，电流在相位推进两倍距离后才会重复，这种所谓的分数约瑟夫森效应应该会选择性地抹去每隔一个的阶，从第一个开始被抹去，这使得缺失的第一个夏皮罗阶成为寻找新物理的诱人线索。

构建谨慎的测试器件

作者使用超薄的WTe₂薄片构造了约瑟夫森结，这种材料在其它情形下可承载拓扑电子态。铝电极被设计为刻意避免接触薄片的边缘，以抑制可能存在马约拉纳模的边缘通道的贡献。基本测量显示结具有适度透明性，在超导和正常态之间有锐利的切换点但很小的滞后，这是通常用标准“电阻-电容并联”模型描述的工作区。将这些器件在宽频率范围内暴露于微波后，研究者确实观察到在低频率下第一个夏皮罗阶逐渐消失，以及在更高频率出现更细微的半阶特征。

数据中的奇异之锯齿

更细致地观察时，研究人员发现在中等微波频率下出现了一个意想不到的图案：零电压区与第一个夏皮罗阶对应区域之间出现了锯齿状边界。这个有折角的跃迁仅在狭窄的频率窗口内出现，并随频率变化而系统地移动。仅诉诸结阻尼或简单加热效应——两种常见的“常规”解释——的传统模型可以再现电流—电压曲线的锐利切换，但无法产生这种独特的锯齿结构。这种不匹配表明结行为中存在更本质的机制在起作用。

重新思考电阻的方式

为了解释这些观测，作者在熟悉的结模型上做了扩展，允许结的普通电阻性电流通道强烈依赖电压，而不是保持恒定。在这个非线性模型中，有效电阻在切换点处急剧增大，然后在更高电压下逐渐回落。将参数锚定在测得的电流—电压曲线上，基于这种改进描述的数值模拟重现了所有关键实验特征：具有极小滞后的锐利切换、低驱动频率下第一个夏皮罗阶的完全丧失、高频下出现的半整数阶，最重要的是——标准模型无法捕捉到的最低阶之间的锯齿状边界。

重新审视一个流行的量子线索

综观这些结果，表明仅凭缺失的第一个夏皮罗阶并不能证明马约拉纳模或其它奇异量子态的存在。相反，该工作展示了在一个适度透明的结中，普通准粒子流动的内在非线性就足以模仿这一被广泛讨论的特征，即使是在刻意抑制拓扑贡献的器件中亦是如此。这里识别出的特征性锯齿图案成为一种实用诊断：其出现指向的是非线性的常规物理，而非新型粒子。对于追寻稳健量子态的研究者而言，信息很明确——必须对微波谱进行详尽检查并谨慎解读，方可在声称发现基于马约拉纳的超导性之前作出可靠结论。

引用: 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

关键词: 约瑟夫森结, 夏皮罗阶, 马约拉纳特征, 非线性输运, WTe2 器件