量子物态与器件研究中心发现笼目超导体CsV3Sb5中的热调控本征约瑟夫森效应

超导是凝聚态物理中最深刻的宏观量子现象之一，其核心特征——零电阻和完全抗磁性，源于电子凝聚至同一量子基态形成的库珀对相干凝聚。在传统超导体中，所有库珀对共享同一量子相位，该相位在宏观尺度上保持均匀性，是超导态长程有序和持续电流的根源。然而，在非常规超导体中，超导序参量可能具有复数值，其相位分布与拓扑性质密切相关，进而衍生出诸如手性超导等新奇物态。

手性超导体是一类典型的时间反演对称性破缺的超导体，其序参量具有复数值形式（如 did），在实空间中可形成具有自发环流的手性超导畴。畴与畴之间的边界可承载无能隙的边缘态，这些受拓扑保护的边缘态不仅可携带手性电流，更可充当连接不同超导畴的自然约瑟夫森结，为探索本征量子干涉和相位相干现象提供了独特平台。

图 1 库珀对以约瑟夫森电流形式穿过手性超导畴边界示意图

近日，浙江大学量子物态与器件研究中心乐天课题组在笼目超导体CsV₃Sb₅（CVS）的超导器件研究中取得重要进展，相关成果以“Thermomodulated intrinsic Josephson effect in Kagome CsV3Sb5”为题发表于《Physical Review Letters》上。该研究在未人工制备约瑟夫森结的本征CVS样品中观测到明显的约瑟夫森效应，并且通过热循环的方式进一步调控该效应产生的类Fraunhofer图案和Shapiro台阶，为手性超导畴的存在提供了重要证据。

图 2 （a）CVS原子结构图；（b）CVS超导器件的微波辐照示意图；（c）CVS器件超导临界电流随磁场变化呈现的类Fraunhofer图案；（d）CVS器件受微波辐照后超导临界电流随微波功率变化呈现的Shapiro台阶图

在前期发表于《Nature》的工作中（Tian Le, et al. Nature 630, 64, 2024），乐天课题组和合作者在笼目超导体CsV₃Sb₅（CVS）中实现了热循环调控的零磁场超导二极管效应和超导干涉图案，首次为CVS中手性超导畴的存在及其时间反演对称性破缺提供了强有力的输运实验证据。该工作认为沿着畴边界传输的边缘电流是导致超导二极管效应和干涉图案的物理起源。

在这个研究基础上，一个更深入的问题随之产生：既然手性超导畴之间的边界承载着无能隙的边缘态，库珀对是如何通过这些非超导区域实现量子相干输运的？乐天认为这种跨畴输运行为应该等同于典型的超导-金属-超导（SNS）型约瑟夫森结，库珀对的跨畴输运以约瑟夫森电流的形式出现，从而表现出本征的约瑟夫森效应。然而，由于畴边界形态不规则，传统的直流测量方式难以获得清晰而具有代表性的类Fraunhofer图案用来证明直流约瑟夫森效应的存在——尽管通过大量尝试“大海捞针”般地观测到了类Fraunhofer现象。为此，本研究进一步创新性地采用交流约瑟夫森效应，对样品施加微波辐照，通过测量Shapiro台阶研究CVS中可能存在的跨畴输运行为。该方法对结区形态无严格要求，只要检测到对微波的响应信号（Shapiro 台阶），即可证实存在本征的约瑟夫森耦合。需要强调的是，所有实验均在未人工制备约瑟夫森结的本征样品中进行，观测到的效应完全源于材料内部的手性超导畴结构。

乐天与合作团队在多番探索后，不仅观测到随热循环显著变化的类Fraunhofer图案，更清晰地捕捉到Shapiro台阶，表明约瑟夫森耦合区域与强度随超导畴的动态重组而演化。此外，在CVS超导转变温度附近对约瑟夫森耦合效应的热循环调制，进一步排除了静态无序和电荷密度波序（CDW）的干扰（CVS在正常态还存在手性CDW畴），确认该效应本征地源于手性超导畴界面。

该工作不仅通过热循环调制的跨畴量子输运角度为CVS中手性超导畴的存在提供重要证据，揭示了库珀对通过无能隙超导畴边界传输的微观机制，也彰显了交流约瑟夫森效应用于探测复杂本征约瑟夫森结系统的独特优势。这一发现为理解手性超导体的畴物理和相位动力学提供了新视角，也为未来开发基于Kagome材料的超导量子干涉器件和拓扑量子计算平台奠定了实验基础。

该工作中浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院为第一单位，乐天研究员为论文第一作者兼通讯作者，西湖大学林效常聘副教授为共同通讯作者，合作者还包括北京理工大学王秩伟教授。

文章链接：https://doi.org/10.1103/yqth-sfm8