近日，物理系研究团队联合北京量子信息科学研究院、南方科技大学，在转角铜氧化物高温超导中开展了系统性的交流约瑟夫森效应研究，展示了对该体系中分数化夏皮诺台阶的调控，严肃质疑了当前国际上流行的观点，提出了这一奇异量子行为的平庸解释。相关成果以 “转角铜氧化物约瑟夫森结中分数夏皮诺台阶的操控”(Manipulating fractional Shapiro steps in twisted cuprate Josephson junctions)为题，作为《国家科学评论》(National Science Review) 转角物理专题和当期封面文章于近日刊出。

图1：《国家科学评论》当期封面，转角铜氧化物约瑟夫森结中交流约瑟夫森效应研究的示意图。

物理系针对高温超导配对对称性问题，在国际上率先开展了超薄层转角铜氧化物约瑟夫森结的研究[详见综述：《物理学报》72, 237402 (2023)]。近年来，许多顶尖研究团队也加入到对该体系的研究中来。其中，美国哈佛大学研究组2023年12月在《科学》(Science)上报道了转角铜氧化物中发现的反常物性，表现为交流约瑟夫森效应中的半整数夏皮诺台阶以及零磁场下的超导二极管效应。这些结果似乎支持由转角所导致的拓扑超导这一新近提出的理论。相关理论一旦被证实，则表明拓扑超导的实现温度可以达到前所未有的液氮温区，将极大拓展相关超导器件的应用前景。因此，转角铜氧化物吸引了广泛关注。

图2：部分研究数据的展示。

然而，物理系团队与合作者此前已发现一些与该新理论不符的实验现象。为了更深入检验拓扑超导，团队设计搭建了新的实验装置，细致开展了转角结中交流约瑟夫森效应的研究。经过一年多在扩大的参数空间的探索，团队不仅复现了哈佛研究组在单一温度观测到的半整数台阶，而且捕捉到了该现象随热循环的亚稳特性。利用磁场或电流，研究团队还在仅有整数夏皮诺台阶的样品中诱导出了半整数以及其它分数台阶。通过补齐这些此前缺失的信息，研究团队指出半整数台阶与铜氧化物中磁通钉扎有密切联系，并非拓扑超导的充分必要证据。

清华大学物理系张定副教授、南方科技大学薛其坤教授、北京量子信息科学研究院朱玉莹副研究员为文章的共同通讯作者。朱玉莹副研究员与南方科技大学博士后汪恒（清华大学物理系2018级博士，现任粤港澳大湾区量子科学中心副研究员）为文章的共同第一作者。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项、中国博士后科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf569