超导太赫兹超材料的非线性及其与Higgs模耦合的研究

In the past two decades, most of the research on terahertz(THz) metamaterial lies in the linear region. But, the nonlinear region is also of same significance. Recently, with the developmemt of high-field THz time-domain spectroscopy (THz TDS), we have the opportunity to carry out research on nonlinear metamaterial. As we know, superconductor materials is of energy gap frequency in THz band, and can be induced a strong nonlinear characteristic at THz. So, it is a very good platform for investigating the nonlinear characteristics of THz metamaterial. This proposal starts from the derivation of the equations of superconducting nonlinear electrodynamics. Then, we employ high-field THz TDS to measure superconducting films and superconducting metamaterial and study their nonlinear properties as well as the second-harmonic component as a function of the films thickness, the shape of unit cell of the superconducting metamaterial, arrangement and packing density. From these studies, the structure with strong second-harmonic component can be found. With this metamaterial, we try to realize a strong coupling to the Higgs mode. All works will lay the foundation for the application of superconducting THz metamaterials in fundamental researches.

近二十年来，太赫兹（THz)超材料的研究大多数集中在线性区域，但是非线性区域的研究也具有相当的重要性。最近随着高场太赫兹时域光谱系统的出现，使我们有机会开展超材料非线性的研究。超导超材料的能隙频率在THz波段，因此用超导超材料可以激发出很强的非线性特性，它是一个非常好的研究平台，探索THz超材料的非线性特性。本研究课题就是从推导超导非线性电动力学方程开始，利用高场太赫兹时域光谱系统测量超导薄膜和超导超材料的非线性特性，研究其二阶分量与超导薄膜厚度，超导超材料的单元形状，排列方式和占空比的关系，获得具有强二阶分量的超导超材料，并实现与Higgs模式的强耦合。这些研究为超导THz超材料在基础研究中的应用打下基础。

近二十年来，太赫兹（THz)与光的相互作用研究大多数集中在线性区域，但是非线性区域的研究也具有相当的重要性。在项目资助期间，建立了一套无液氦、高场和低温THz时域光谱系统，其峰值电场强度达到100kV/cm，频谱范围可达3THz，最低工作温度可到4K，解决了液氦供应不稳定造成的实验工作常常不能开展的困难。我们利用该系统开展超导薄膜非线性特性的研究，观察到超导薄膜在THz光诱导下发生了超导转变，这也说明我们装置提供的场强可以满足超导薄膜非线性特性研究的需求。我们进一步尝试观察超导薄膜非线性效应以及与Higgs模式耦合所产生的三次谐波效应。并利用周期性结构，提高入射THz波与超导薄膜和Higgs模的耦合的效率。同时我们与安徽大学合作开展电磁场数值计算来求解超导薄膜和超导超表面的非线性效应。根据超导理论给出超导薄膜的非线性时域响应，构建微波段及太赫兹波段高效、快速的时域电磁仿真软件。使用自主开发仿真软件，针对微波段、太赫兹波段超导体瞬态电磁特性及非线性响应特性开展研究，利用有限时域差分法（FDTD）求解Maxwell方程，与Mattis-Bardeen理论比较，确定超导电流与外加电场的非线性的本构关系，从而得到非线性特性和谐波产生的机制。我们还利用该非线性效应于超导含时THz超材料中，成功地观察到超材料特性随时间的演变以及频率变换效应，较好地完成了预定的任务。另外，我们利用现有的THz光谱仪系统，开展了THz自旋电子学的研究，利用飞秒激光泵浦反铁磁薄膜/正常金属薄膜异质结构，在世界上首次在室温和外加零磁场的条件下观察到THz辐射，并通过一系列的实验证明该辐射来源于反铁磁薄膜中的自旋电流，工作已在线发表于《自然 物理》。