NSR | 高温拓扑超导的关键实验证据面临挑战

提升拓扑超导的工作温度对马约拉纳费米子的研究至关重要。理论预言构建高温铜氧化物转角约瑟夫森结是实现高温拓扑超导的重要平台。最近研究工作表明，该体系中存在分数交流约瑟夫森效应——作为拓扑超导理论预言的关键特性，进一步推动了拓扑量子计算的研究进程。然而，最新研究工作对这一结论提出了重要质疑：实验结果表明该分数交流约瑟夫森效应具有亚稳态特性，可以通过非拓扑的外部机制实现对该效应的可控调控。

约瑟夫森结是研究超导电性的核心器件，也是未来量子计算机的关键组件。当给约瑟夫森结施加恒定电压时，结两端会产生频率为f=(2e/h)v 的交流振荡，即交流约瑟夫森效应。在高频微波辐照下，结的电流-电压特性曲线上会呈现一系列量子化的电压台阶，称为夏皮罗台阶。其量子化的电压值满足公式：

，其中，h为普朗克常量，e为电子电荷。在这里，量子化值仅与外界施加的频率f 和基本物理常数h，e有关。对于标准的约瑟夫森结， n为整数。然而，在很多复杂的约瑟夫森结器件中，会观察到分数夏皮罗台阶（例如n=1/2、1/3、1/4等）。这些分数夏皮罗台阶被认为是非常规超导电性、拓扑超导态以及复杂器件结构的实验判据之一。早期主要在超导—正常金属—超导（SNS）结或基于高温超导体（如YBa₂Cu₃O₇）的晶界结中，观测到半整数的夏皮罗台阶。这些分数台阶的产生有多种微观机制，包括多重安德烈耶夫反射、超导微桥阵列的形成，以及宽结中约瑟夫森磁通涡旋的同步运动等。

近年来，相继有理论工作[Phys. Rev. B 98, 104515 (2018),Nature Physics 17, 519–524 (2021)]预言在相对转角为45度的原子级薄层铜氧化物超导体系（如Bi2Sr2CaCu2O8+x,Bi-2212)中可能诱导出拓扑超导态。2023年，哈佛大学Philip Kim研究团队在实验上观察到半整数夏皮罗台阶以及约瑟夫森二极管效应[Science 382, 1422–1427 (2023)]，认为是证明拓扑超导的关键性实验证据。这一新奇的拓扑态亟需进一步的实验验证，这是因为该拓扑超导体系被认为是实现高温马约拉纳零能模¾构建容错拓扑量子计算机的核心组件¾的关键途径。

为深入探究该体系中分数夏皮罗台阶的微观机制，Y. Zhu等人近期开展了针对Bi-2212转角约瑟夫森结的一系列系统性实验[National Science Review, nwaf569, 2025]。他们发现，在高质量的45度转角结中确实观测到了半整数的夏皮罗台阶，但这些半整数台阶的信号非常微弱，尤其对外部热循环过程非常敏感，在经历数次热循环后会完全消失。重要的是，他们发展了两种调控方法，可以成功诱导出分数台阶：（1）磁场“训练”，即给样品施加小于10 mT的外部磁场；（2）电流“训练”（电流退火），即在样品降温过程中给结两端施加约1-3mA的大的偏置电流。有趣的是，通过电流退火的方法，在实验上不仅诱导出半整数台阶，还观测到了1/3、2/3等分数台阶。除此之外还开展了其它角度约瑟夫森结器件的研究，发现在30度和40度的转角结中，即使在较高温度下仍然可以观测到显著的半整数台阶。以上实验结果偏离了理论预期的拓扑超导可能存在的区域。该工作认为实验观测到的分数夏皮罗台阶很可能源于电流-相位关系中由于外部效应所诱导的高阶项，如在界面处俘获的磁通涡旋等，而并非本征的拓扑超导态。

该研究工作提出了一套用于系统探究转角约瑟夫森结交流约瑟夫森效应的综合实验方案¾热循环、磁场训练和电流退火，为未来相关实验的研究提供了重要的参考价值。通过采用上述方案，不仅可以帮助厘清本征拓扑超导与外场诱导的微观机制，而且可以为下一步的实验设计提供关键的依据，推动获得更精准的实验结论，促进该领域研究的深入发展。

这项工作由北京量子信息科学研究院、南方科技大学、清华大学以及合肥国家实验室共同合作完成。