Учёные Центра перспективной мезофизики и нанотехнологий (MEZO) МФТИ совместно с коллегами из Франции и Китая опубликовали в журнале Communications Materials исследование, посвящённое природе отсутствующих шагов Шапиро в баллистическом джозефсоновском переходе на основе одиночного нанокристалла топологического изолятора Bi₂Te₂.₃Se₀.₇ . Работа демонстрирует, что исчезновение первого шага Шапиро при микроволновом облучении не является однозначным доказательством топологической сверхпроводимости.
Джозефсоновские переходы на основе топологических изоляторов рассматриваются как перспективная платформа для поиска майорановских состояний — экзотических квазичастиц, представляющих интерес для квантовых вычислений. Теоретически такие системы могут обладать 4π-периодической зависимостью тока от фазы, что приводит к специфическому эффекту: при воздействии микроволнового излучения на вольт-амперной характеристике исчезают нечётные шаги Шапиро, прежде всего первый. Наблюдение этого явления нередко интерпретируется как возможная сигнатура топологической сверхпроводимости.
В настоящей работе исследовался баллистический Nb–Bi₂Te₂.₃Se₀.₇–Nb переход, сформированный на основе 23-нанометрового одиночного нанокристалла топологического изолятора. При охлаждении до 20 мК и воздействии микроволнового излучения в диапазоне частот от 0.5 до 2 ГГц была зарегистрирована последовательность шагов Шапиро. При этом при понижении частоты ниже 2 ГГц наблюдалось постепенное подавление первого шага, а при частотах ниже примерно 1.3 ГГц он практически исчезал. На первый взгляд такой результат соответствует ожиданиям для системы с 4π-периодической компонентой сверхтока.
Однако детальный анализ показал, что наблюдаемое поведение может быть полностью объяснено в рамках двухканальной тепловой модели tRSJ (thermal resistively shunted junction), учитывающей джоулев перегрев электронов и особенности динамики возвращающего тока (retrapping current). Численное моделирование воспроизводит исчезновение первого шага Шапиро без необходимости вводить значительный вклад 4π-периодической компоненты. Более того, расчёты показывают, что даже небольшой вклад такой компоненты остаётся тесно переплетённым с тепловой динамикой и эффектами схемы, что затрудняет его однозначную идентификацию.
Руководитель работы, профессор Василий Столяров, подчёркивает: «Мы показали, что отсутствие первого шага Шапиро само по себе не является достаточным доказательством топологической сверхпроводимости. Даже в баллистическом режиме классические тепловые процессы и нелинейная динамика перехода могут приводить к такому эффекту».Таким образом, результаты исследования призывают к более осторожной интерпретации экспериментов по поиску майорановских состояний. Отсутствие первого шага Шапиро может быть вызвано перегревом, динамикой возвращающего тока и особенностями фазовой релаксации, а не исключительно топологической природой сверхпроводящего состояния. Авторы подчёркивают необходимость комплексного подхода и совокупности независимых экспериментальных критериев при подтверждении топологической сверхпроводимости.
Работа вносит важный вклад в физику джозефсоновских переходов на основе топологических материалов и уточняет границы применимости одного из наиболее обсуждаемых диагностических признаков майорановских состояний.