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第一级Shapiro台阶的消失曾长期被视为马约拉纳束缚态的关键实验证据之一。然而，中国科学院物理研究所吕力团队最新研究发现，约瑟夫森结本身固有的非线性电流-电压特性即可导致第一级台阶消失，并伴随出现独特的“锯齿形”过渡边界。基于Al/WTe2平面约瑟夫森结的微波辐照实验，并结合非线性电阻-电容分流结（NRCSJ）模型进行模拟，该研究揭示了传统电阻-电容分流结（RCSJ）模型所无法解释的锯齿形转变线特征，表明结的本征非线性效应是产生开关跳变和第一Shapiro台阶消失的普适机制。作者呼吁，在将第一级台阶缺失归因于马约拉纳物理之前，应开展更为全面的微波谱分析[Communications Physics, 2026, 9(1): 150]。
研究背景
在拓扑约瑟夫森结中，理论预测的4π周期性电流-相位关系将会导致偶数级Shapiro台阶保留、奇数级Shapiro台阶消失。其中，第一级台阶消失的实验观察常被作为马约拉纳零能模存在的关键实验迹象。然而，近年来多个实验系统均观察到第一台阶缺失，但难以确认其拓扑起源。多种平庸机制，如欠阻尼（较大的Stewart-McCumber参数β）、焦耳热效应和Landau-Zener跃迁等，均可诱发该现象。因此，发展新的理论框架并寻找可区分的实验判据，对于正确解读反常Shapiro台阶谱至关重要。
研究内容
本研究基于化学气相沉积（CVD）生长的WTe2薄片制备了平面约瑟夫森结（图1a），电极材料为Ti/Al，结区长度约100 nm、宽度约1 μm。低温输运测量显示，结的透明度约为0.427，属于低至中等透明度范围。在微波辐照下，当频率降至1.4 GHz时，第一级Shapiro台阶完全消失（图1c）；而在中频4.13 GHz时，微分电阻谱中零级与第一级台阶之间的边界出现了清晰的锯齿形过渡线（图1e）。该锯齿形特征线的拐点随频率升高逐渐向低功率方向移动，最终在高频下消失，整体仅存在于中等频率区间（图2a）。
图1 基于WTe2约瑟夫森结的Shapiro谱。(a) 器件的示意图。(b) 器件的V-I特性曲线及不同模型的拟合结果。插图为非线性电阻-电容分流结（NRCSJ）模型的示意图。(c-f) 不同频率下的Shapiro谱及其对应的模拟图像。
图2 锯齿形转变线的频率演化。(a)和(b)分别为实验和模拟所得的锯齿形转变线的频率演化图像，它们表现出基本一致的演化规律。
为解释上述现象，研究团队提出了非线性电阻-电容分流结（NRCSJ）模型（图1b插图），其中正常态电阻不再是常数，而是电压依赖的函数。该模型仅需取β = 0.59即可完美拟合实验测得的直流V-I曲线（图1b），该值接近独立估计值，且远小于传统RCSJ模型所需的β = 2.0。进一步基于NRCSJ模型的微波辐照模拟，不仅成功复现了低功率下第一台阶的消失（图1d）与锯齿形转变线（图1f），还再现了该锯齿形转变线的频率演化特征（图2b）。相比之下，传统RCSJ模型在任何参数下均无法产生锯齿形特征。这表明，结的本征非线性——即低电压下正常电流近乎为零、在临界电压附近陡峭上升——足以诱发开关跳变，进而导致第一级Shapiro台阶消失。而锯齿形边界作为该本征非线性独有的动力学指纹，可作为区分拓扑与非拓扑起源的关键判据。
总结
本研究通过Al/WTe2约瑟夫森结的微波实验和NRCSJ模型模拟，证明了在低至中等透射范围内，结的本征非线性效应完全可以解释第一级Shapiro台阶的缺失，并首次发现了与之伴随的锯齿形转变线特征。该机制具有普适性，广泛存在于常规SNS结中，无需借助马约拉纳零能模或4π超流。研究指出，在将第一级台阶缺失作为拓扑证据进行报道时，必须开展频率依赖的微波谱测量，并检查是否存在锯齿形边界，以避免误判。该工作为重新审视大量拓扑约瑟夫森结实验提供了新视角，同时也展示了通过调控结的非线性来操控Shapiro台阶谱的可能性。
综合极端条件实验装置的C1亚毫开实验站和C4电子波谱学实验站发挥了关键作用。C1和C4实验站提供的极低温和超低电磁噪声电学测量环境，是探测此类微弱量子信号的必备条件。上述相关成果以“Intrinsic non-linearity of Josephson junctions as an alternative origin of the missing first Shapiro step”为题发表在Communications Physics 9(1), 150 (2026)上。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFA1602803、2023YFA1607400）、国家自然科学基金（12574060、62304182、12104498）、量子科学与技术创新项目（No. 2021ZD0302600）以及综合极端条件实验装置等项目的资助。
