电流和强太赫兹脉冲调制低损耗超导太赫兹人工电磁媒质

Terahertz (THz) technology has a lot of important applications, but the current devices can not meet the requirements of the real applications. In recent years metamaterials have been used to make a variety of THz devices, but the intrinsic high loss property of metamaterial has a bad influence on THz devices. In this proposal, we use electromagnetically induced transparency (EIT ) phenomenon to the design and preparation of superconducting THz metamaterial, which decrease the ohmic and radiative losses of the device from the two aspects of materials and design principle respectively; After using a electromagnetic simulation software and coupled-resonator circuit model(including numerical calculation and hardware implementation of the low frequency circuit ) to study the interaction between bright and dark modes, low loss THz metamaterials can be realized. On this basis, we make use of the DC current and the strong terahertz pulses, which can make superconducting thin film to transit from superconducting state to normal state,to obtain manipulation on superconducting THz metamaterial, demonstrating high-speed THz modulation devices.

太赫兹（Terahertz,简写为 THz）技术具有重要的应用前景，但目前的器件还不能满足实际应用的要求。近年来利用人工电磁媒质（metamaterial）开发了多种THz器件，但metamaterial本身固有的高损耗特性影响了器件的性能。本申请提出利用电磁感应透明（EIT）现象来设计和制备超导THz metamaterials,从材料和设计原理两个方面分别降低器件的欧姆损耗和辐射损耗；利用电磁场设计软件和耦合谐振器的电路模型（包括数值计算和低频电路模拟）研究明暗模之间的相互作用，最终得到低损耗的THz metamaterials。在此基础上，我们利用在电流和超强太赫兹脉冲作用下，超导薄膜可以从超导态到正常态的转变，实现对超导 THz metamaterial的调控，并进行高速太赫兹器件的原理演示。

太赫兹（THz，1THz＝1012 Hz）波是指频率从0.1THz 到10 THz，其波长从30至3000 微米, 介于毫米波与红外光之间的电磁波。THz 波具有很多独特的性质,可广泛应用于国土安全与反恐、大容量无线通信，环境污染的测量以及医学成像等领域。但是目前在THz波段工作的许多电子学器件，其性能还远达不到实际应用的要求，如固态源的频率可调谐范围小，输出功率低等缺点，功能器件也存在损耗大，动态范围低等问题。因此高性能太赫兹电子学器件成为太赫兹科学与技术发展的瓶颈。.人工电磁媒质，也称为超构材料或特异介质（英文名称 Metamaterial, 以下都用超构材料）是近二十年来提出的一种新的概念。它可以通过设计不同的结构单元，实现几乎任意的介电常数ε和磁导率μ，从而能精确地控制电磁场的转播，获得我们想要的器件的性能。但是超构材料通常金属损耗较大，导致器件的损耗较大，而超导薄膜在THz区间具有低的欧姆损耗，所以我们可以利用超导材料取代正常金属，得到低损耗的超导THz超构材料。在这个工作，我们设计出单元具有复合结构的超导超构材料，它不仅保持低损耗的特性，还方便进行外加电流和外加强THz场的调谐。实验结果显示该结构的传输系数接近1，在0-1V外加电压的作用下，开和关两个状态的传输系数分别是0.98和0.2，调制频率可以达到1MHz。我们还实现了强THz场调节超导超构材料。另外我们开展了超导THz亚波长小孔阵列表面等离激元非线性特性的研究。我们还发展了THz编码超构材料，可以在一个很宽的频率范围内，大幅降低雷达散射截面。我们还把THz超构材料用于测量癌症细胞的凋亡率。这些工作表明THz超构材料具有广阔的应用前景。