HgTe 量子阱约瑟夫森结相动力学中的倍周期现象：拓扑超导性研究的新视角

在拓扑约瑟夫森结研究中，分数 AC 约瑟夫森效应的起源存在争议。研究人员对基于 HgTe 量子阱的约瑟夫森结进行微波发射测量。结果表明，电路寄生电感会导致倍周期现象，产生fj?/2的微波发射峰。这为解释相关实验现象提供了新依据，对研究拓扑超导性意义重大。

　　在探索物质奇妙微观世界的征程中，拓扑超导性研究领域正处于激烈的争论漩涡。分数 AC 约瑟夫森效应作为拓扑超导性在混合约瑟夫森结中的关键特性，备受关注。此前，不同材料中出现的缺失奇数 Shapiro 台阶和半约瑟夫森频率发射现象，让科研人员对其潜在起源争论不休。

一方面，理论预测重叠的马约拉纳费米子（Majorana fermions）会形成中隙安德烈夫束缚态（Andreev bound states，ABS），这会使超导电流传输呈现 4π 相位周期性，在射频驱动装置的相动力学中能被检测到，表现为 Shapiro 台阶间距为hfe 。但实验中却出现了奇怪的现象，在多种拓扑材料制成的约瑟夫森结中，奇数倍hf/2e的 Shapiro 台阶被抑制，且这些实验中时间反演对称性（time-reversal symmetry，TRS）并未被破坏，信号最强时费米能级位于导带。

另一方面，一些机制在平凡约瑟夫森器件中也能导致 4π 周期的超导电流。比如 Andreev 能级之间的 Landau-Zener 跃迁，在具有高透明界面的半导体约瑟夫森结中就可能引发这种现象，拓扑平凡的 InAs 量子阱约瑟夫森器件中缺失的 Shapiro 台阶就被归因于此。此外，偏置相关电阻的非线性也会影响 Shapiro 台阶的可见性，而且部分拓扑结并不呈现 4π 周期性。这些不确定性使得拓扑超导性的研究迷雾重重，迫切需要新的研究来拨云见日。

为了深入探究这些复杂现象背后的真相，德国维尔茨堡大学（Physikalisches Institut (EP3) 和 Institute for Topological Insulators）的研究人员 Wei Liu、Stanislau U. Piatrusha 等人开展了一项关于 HgTe 量子阱约瑟夫森结的研究。他们通过精心设计实验，对基于 HgTe 量子阱的电阻分流约瑟夫森结进行微波发射测量，试图从全新的角度解读分数 AC 约瑟夫森效应。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的研究开辟了新的方向。

研究人员采用了一系列关键技术方法。在样品制备方面，他们使用分子束外延生长的Cd0.7?Hg0.3?Te/HgTe/Cd0.7?Hg0.3?Te量子阱异质结构，通过自对准湿法蚀刻和沉积工艺制作出特定结构的约瑟夫森结器件，并在其上制作了顶栅。在测量过程中，利用商业表面贴装电阻对结进行分流，采用特定的布线配置搭建射频测量电路，通过放大器级联对信号进行放大，最后使用 HP 8563E 频谱分析仪记录光谱 。

研究结果如下：

• 样品直流特性表征：研究人员在稀释制冷机中对侧接触 HgTe 量子阱约瑟夫森器件进行直流输运表征。通过测量不同栅极电压Vg?和垂直磁场 B 下的电导 G，发现随着 B 增加，Landau 能级逐渐耗尽，出现明显的电导台阶，且 Landau 能级扇形图外推至电荷中性点时，Vg?≈?0.245V 。在B=0时，器件呈现欠阻尼约瑟夫森结的滞回电流 - 电压（I?V）特性，Ic?和RN?随Vg?变化显著。在研究 Shapiro 台阶时，发现未加小磁场时，n=±1和n=±3的台阶缺失，施加B=90μT的小磁场后，Shapiro 台阶恢复常规模式。
• 微波发射测量与模型模拟：对结的微波发射进行测量时，研究人员采用两种不同布线配置，一种布线具有较大的寄生电感。实验发现，该布线在约瑟夫森频率fj?的同时，还出现了fj?/2的微波发射峰。通过建立基于电阻、电容和电感分流的约瑟夫森结（RCLSJ）模型，并使用商业电路仿真软件进行数值计算，发现模拟结果与实验数据高度吻合，表明fj?/2的发射峰源于电路中较大的寄生电感导致的约瑟夫森结相动力学倍周期现象。
• 改变结参数对动力学的影响：研究人员通过改变栅极电压、磁场和温度来调整结参数，发现随着这些参数变化，微波发射特性发生改变。例如，增加栅极电压，fj?频率的发射功率Pfj??先上升后下降，当fj?/2的半频发射出现时，Pfj??下降 ，且在不同参数调整实验中，都出现了半频发射消失、Pfj??在交叉区域出现特征性下降的现象，这证实了超导电流变小时会转变为单周期动力学。
• 低电感电路实验与 Shapiro 台阶测量：研究人员搭建低电感电路 C2 进行补充实验，发现该电路中没有倍周期动力学迹象，只有在约瑟夫森频率f处有强微波发射信号。同时，在电路 C2 中进行 Shapiro 台阶测量，只观察到常规的 Shapiro 图案，这进一步暗示多余的寄生电感可能是导致早期实验中相动力学倍周期现象的原因。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，约瑟夫森结使用新型弱连接材料时，其参数范围和设计考虑因素与传统约瑟夫森结不同，金属引线布线层的大分流电容和线键连接的寄生电感会显著影响结动力学。实验中观察到的fj?/2发射和抑制的 Shapiro 台阶等现象，不能简单地被视为分数 AC 约瑟夫森效应存在的可靠指标，除非对结相动力学和射频环境进行仔细分析。

这项研究意义重大。它为拓扑超导性研究提供了新的思路，强调了在研究分数 AC 约瑟夫森效应前，深入分析相动力学的必要性，包括考虑射频测量电路的共振模式和样品夹具中的辐射耦合等因素。同时，研究还为后续实验改进提供了方向，如使用共面波导连接样品、采用电容耦合约瑟夫森结或直流超导量子干涉器件（DC SQUID）作为片上探测器等。这一系列发现和结论有助于科研人员更准确地理解和研究拓扑约瑟夫森结的特性，推动拓扑超导性研究领域朝着更深入、更准确的方向发展，为未来在该领域取得新的突破奠定了坚实基础。