近日，6163银河线路检测中心凝聚态物理与材料物理研究所廖志敏教授课题组与深圳国际量子研究院俞大鹏院士团队合作，在超导约瑟夫森结的电流-相位关系调控方面取得重要实验进展。研究团队在新型笼目（Kagome）超导体CsV₃Sb₅中，发现约瑟夫森电流二阶谐波占比远超短程弹道极限，揭示了该体系中独特的非正弦电流-相位关系。相关结果以“CsV₃Sb₅的本征约瑟夫森结中磁通调谐的二次谐波含量”（Magnetic-Flux Tuning of Second Harmonic Content in Intrinsic CsV₃Sb₅ Josephson Junctio）为题，于2026年3月4日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
约瑟夫森结是超导量子电路的核心元件，其电流-相位关系的特性决定了量子器件的性能与功能拓展。传统约瑟夫森结通常呈现正弦型的一阶谐波响应，但在高穿透度的弹道约瑟夫森结中，电流-相位关系会显著偏离正弦形式，产生二阶及更高阶谐波分量。电流-相位关系中的二阶谐波分量具有重要的科学意义和应用价值，它不仅深刻反映了超导输运的非平衡物理过程，还为构建新型量子比特、放大器和非线性量子元件提供了核心设计自由度。理论上，短弹道结的二阶谐波与一阶谐波振幅比存在约0.35的上限，突破这一极限对于构建新型超导量子器件至关重要。以往方法依赖复杂结构（如超导量子干涉环）和外场调控，技术难度高。因此，如何突破复杂器件结构的限制，实现对二阶谐波的调控是重要的前沿课题。
CsV₃Sb₅是一种新型的钒基笼目超导体，具有非平庸的多能带电子结构和丰富的超导物性。前期研究表明，该材料可能存在超导畴结构，但畴壁是否具备约瑟夫森结的特性、其电流-相位关系呈现何种形式，尚缺乏直接实验研究。研究团队创新性地利用了机械剥离获得的CsV3Sb5纳米片与金电极接触构筑器件，实验观测到超导临界电流随磁场呈现清晰的弗朗霍夫衍射图案，这证实了材料内部自发形成了本征约瑟夫森结，无需任何人工弱连接加工。这一发
图1：CsV₃Sb₅单晶中的本征约瑟夫森效应
通过施加面外磁场，团队成功调控了结的电流-相位关系。在临界电流节点处施加微波辐照时，器件呈现出清晰的半整数夏皮罗台阶——即电压台阶高度为常规值的一半，这是二阶谐波占主导的直接证据。定量分析显示，在磁通调控下，结的二阶谐波与一阶谐波强度之比可达1.2，远超短弹道结的理论极限值0.35。如此显著的二阶谐波增强源于两个因素：一是畴壁形成的高度透明界面支持非正弦电流-相位关系；二是电流在结区呈非均匀分布，通过干涉效应进一步放大了二阶贡献。这一机制与此前在人工超导量子干涉器件中通过磁通抑制一阶谐波的策略异曲同工，但本征结的实现方式大为简化。这一成果揭示了笼目超导体中多带超导的独特性质，对于构建受保护量子比特、参量放大器及非互易超导器件具有重要的应用价值。
图2：CsV₃Sb₅本征约瑟夫森结中磁场可调的二阶谐波。
深圳国际量子研究院副研究员陈静静、6163银河线路检测中心2022级博士生娄晗歆、深圳国际量子研究院助理研究员叶兴国为本文共同第一作者。6163银河线路检测中心廖志敏教授、深圳国际量子研究院陈静静副研究员、谭振兵副研究员及俞大鹏院士为本文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、深圳市科创局及合肥国家实验室的经费资助，并获得6163银河线路检测中心人工微结构和介观物理全国重点实验室、6163银河线路检测中心电子显微镜实验室以及深圳鲲腾易必目科技有限责任公司的技术与实验平台支持。
论文连接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/34th-gqsy
