基于单个 Bi2Te2.3Se0.7 纳米晶体的无散射约瑟夫森结中的 Shapiro 台阶

这对未来量子技术为何重要

全球的工程师正竞相构建将信息存储并操控于特别稳健量子态中的量子器件，有时这些态与一种难以捉摸的粒子——马约拉纳模式相关联。寻找这些态的一种常见方法是观察微小超导电路电压响应中的一种特殊电学指纹——缺失的台阶。本文表明，即使是诸如加热这类完全普通的效应也能模拟出该指纹，提醒我们在宣布发现新的量子物质相时应保持谨慎。

用于超导电流的一座微桥

这项研究的焦点是一个纳米尺度的“桥”——约瑟夫森结，其中一片由特殊晶体材料制成的薄片夹在两个超导金属电极之间。该晶体由铋、碲和硒构成，属于被称为拓扑绝缘体的材料家族，其表面可以承载异常稳健的电子态。在这个器件中，电子在晶体中的传输非常干净、几乎无碰撞——这是所谓的无散射（弹道）输运。当两侧的铌电极在低温下变为超导时，会在晶体中诱导出超导性，在合适条件下允许超电流无电压降地流动。

在微波驱动下出现的分级电压

当该结暴露于微波辐射时，其电压—电流行为会出现一系列称为 Shapiro 台阶的平台。每个台阶对应于超电流的内部节律被外加微波节律锁相，从而产生离散的电压值而非平滑的斜升。在许多材料中，这些台阶形成规则序列：第一、第二、第三，依此类推。然而，某些特殊的超导态被预测会改变这一模式，移除奇数号台阶，尤其是第一个台阶。因此，实验者往往将第一个台阶的缺失视为拓扑超导性和晶结中类马约拉纳束缚态的有希望的迹象。

在低频下令人惊讶的消失现象

作者们仔细测量了在改变微波频率和功率时无散射结中 Shapiro 台阶的演变。在相对较高的频率（约 1.3 吉赫以上）时，只要驱动足够强，包含第一个台阶在内的低阶台阶会如预期那样全部出现。但当他们将微波调到低于约 2 吉赫的较低频率时，第一个台阶逐渐减弱，并在更低频率下从视野中消失，而更高阶的台阶仍然可见。乍看之下，这种模式非常像人们寻求的拓扑特征：在一整排规则电压台阶中缺失第一个台阶。

加热伪装成奇异物理

为了判断是否需要真正的奇异态来解释这些观测，研究小组转向包含两个非常世俗成分的详细模型：普通超导电流和简单的加热。在这种描绘中，结表现为一个被电阻分流的标准约瑟夫森元件，但允许局部电子温度随电功耗上升并通过与晶格的相互作用冷却。通过求解电流、电压和温度的耦合方程，研究者们复制了关键的实验特征——在低频下第一个台阶的选择性丢失——而无需假设占主导地位的奇异电流通道。他们还探讨了更微妙的效应，例如当加热强烈时，结在接近“再陷阱”电流处在超导与电阻态之间跳跃的倾向如何掩盖最低阶台阶。

重新思考一种流行的量子线索

尽管该器件在其他测量中先前曾显示出非常规超导性的线索，但本研究表明在该装置中缺失的第一个 Shapiro 台阶可以被常规热效应完全或几乎完全解释。简单来说，结在错误的时间和位置变暖，从而扰乱了电压台阶的最低步。作者得出的结论是，这一被广泛使用的诊断方法——在微波驱动下寻找消失的第一个台阶——不能单独作为拓扑超导性或马约拉纳模式的证据。未来的实验需要结合多种经过精确控制的特征，并在宣称发现新量子态之前密切注意诸如加热等平凡过程。

引用: 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

关键词: 约瑟夫森结, 拓扑超导性, Shapiro 台阶, 马约拉纳模式, 量子材料