近日，北京量子信息科学研究院（以下简称 “量子院”）与北京大学、中国科学院半导体研究所等单位合作，在半导体InSb 纳米片约瑟夫森结研究领域取得新进展。针对被视为拓扑超导态典型特征的 “missing first Shapiro step”(首阶夏皮罗台阶缺失) 现象，研究团队展开了系统探究，发现该现象在拓扑平庸体系中普遍存在，其根源与拓扑超导态无关，而是源于超导转变过程中的电压骤然跃变形成的测量 “盲区”。2025 年 11 月 21 日，相关成果以“Al-InSb纳米片约瑟夫森结中普遍存在首阶夏皮罗台阶缺失”（Ubiquitous missing first Shapiro step in Al-InSb nanosheet Josephson junctions ）为题在线发表于《物理评论B》（Physical Review B），入选“编辑推荐”（Editors' Suggestion）。

夏皮罗台阶是约瑟夫森结在微波辐照下出现的电压量子化平台，其规律常被用作判断拓扑超导态的重要 “指纹” 之一。对于传统约瑟夫森结，夏皮罗台阶的电压数值遵循 V=nhf/2e的量子化规律（其中n 为整数，h 为普朗克常数，f 为微波频率，e 为电子电荷常数）。理论分析预测，在拓扑超导体系中由于马约拉纳零模的存在，奇数阶夏皮罗台阶应该缺失。尤其是首阶夏皮罗台阶的消失，常被视为拓扑超导的关键证据。

然而，近年来实验中却出现了矛盾现象：不仅在疑似拓扑超导体系中观测到了首阶夏皮罗台阶缺失，且在确定的拓扑平庸体系中也发现了类似现象。这一矛盾使得 “首阶夏皮罗台阶缺失” 是否能作为拓扑超导的可靠判据成为当前拓扑超导研究领域的重大争议。若该现象存在非拓扑起源，将直接影响此前大量拓扑超导相关实验结论的解读，因此亟需系统性的实验验证与机制分析。

基于此，研究团队将Al-InSb 纳米片约瑟夫森结作为研究对象，将其调控到确定的拓扑平庸相，系统地探究了微波辐照环境下夏皮罗台阶产生和缺失的规律和机制。实验过程中，团队捕捉到一个核心关联证据——首阶夏皮罗台阶的缺失，恰好与超导转变过程中出现的电压骤然跃变同步，且这一 “缺失” 并非永久性，可通过调控温度、磁场、频率等实验参数，让首阶夏皮罗台阶重现。这些实验结果共同指向一个结论：首阶夏皮罗台阶的缺失并非由拓扑效应导致，而是源于超导转变过程中的电压跃变——台阶的电压区间恰好落在了跃变形成的 “测量盲区” 内，造成了测量点“缺失” 产生的假象。这一机制普遍存在于微波辐照下的约瑟夫森结实验测量中，但却被长期忽视。未来研究中若需通过夏皮罗台阶判断拓扑超导特性，需先排除尖锐电压跃变的干扰。

图1 首阶夏皮罗台阶缺失和超导-非超导相变尖锐度的温度依赖性。（a）无微波辐照时，Al-InSb纳米片约瑟夫森结器件的switching电流（蓝色）与retrapping电流（橙色）随温度T的变化关系。（b）无微波辐照时，不同温度下的电压-电流特性曲线。蓝色（橙色）曲线对应正向（负向）电流扫描方向。（c, d）不同温度下，器件的微分电阻dV/dI随微波功率P与直流偏置电流I的变化关系及其对应数据的电压直方图。

图2 首阶夏皮罗台阶缺失的磁场依赖性。（a）无微波辐照时，微分电阻dV/dI随电流I和磁场B的变化关系。（b）在不同磁场下提取的电流-微分电阻曲线。（c）微波频率为2.5GHz时，在不同磁场下测得的电压直方图。

图3 首阶夏皮罗台阶缺失的频率依赖性。微波频率为4GHz和6GHz时，不同微波功率下的电压-电流特性曲线（a,d），微分电阻dV/dI随微波功率P与电流I的变化关系（b,e），及其对应的电压直方图（c,f）。

该研究不仅揭示了首阶夏皮罗台阶缺失的成因，更为拓扑超导研究提供了重要的方法论校正，同时也为分数约瑟夫森效应实验提供了新的研究视角，助力相关领域研究更加精准、高效。

该论文第一作者为量子院助理研究员吴幸军，通讯作者为中国科学院半导体研究所潘东研究员、量子院张泼副研究员和量子院首席科学家徐洪起教授，合作者还包括量子院博士后苏海天、助理研究员曾传昌、颜世莉和副研究员王积银，以及中国科学院半导体研究所赵建华研究员。该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

原文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/3tvf-5v29