非线性太赫兹超导超材料的基础研究及应用

The lack of high performance terahertz (THz) devices is still a bottleneck for the development and application of THz technology. The development of intense THz time domain spectroscopy induces the research on THz metamaterial from linear to nonlinear region, which have not only extended the concept of metamaterials, but also expanded the possibility of designing new high performance THz devices and led to break-through on the device structures and properties. Superconductors has lower ohmic loss than normal metals in THz region, and their energy gap also lies in THz region, which can be induced a strong nonlinear characteristic at THz region. So superconducting metamaterial is a very good platform to achieve high performance THz devices. This proposal stars from the setup of theoretic model and measurement of the nonlinearity of superconducting thin film. We first study on the nonlinearity of single resonator superconducting metamaterial, then design and establish cooperative structure metamaterials to simulate some quantum-like phenomena, such as parity-time (PT) symmetry, electromagnetically induced transparency (EIT), electromagnetically induced reflection (EIR). We study their nonlinearity and get some transition of some phenomena, such as the transition between EIT and EIR, the realization and break of PT symmetry. Therefore, we could get high performance modulators, and achieve high modulation depth, fast modulation speed. All works will lay the foundation for the application of THz technology and superconducting technology.

高性能THz器件的匮乏限制了THz技术的发展和应用。强场THz时域光谱技术的发展使THz超材料的研究由线性进入到非线性阶段，大大拓展了高性能THz器件设计和开发的空间，在结构和功能两方面都带来了突破。超导在THz波段损耗比金属低得多，能隙频率也在THz波段，因此THz强电场可在超导中激发很强的非线性，这使超导超材料成为高性能THz器件非常好的研究平台。本申请从超导薄膜非线性特性的理论模型建立和测量研究出发，研究单谐振子超导超材料的非线性特性，然后结合单谐振子间的耦合作用，构建和研究一系列新型复合模式的超导超材料，模拟类量子效应如PT对称、EIT、EIR，研究其非线性特性，并通过非线性主动调控，实现其他温度或磁场调控不好实现的功能，如EIT和EIR的转换，PT对称的实现和破坏等，得到高性能调控器件，实现高开关比、高响应速度、高调制速率的调制器，为THz技术和超导技术的应用打下基础。

太赫兹（Terahertz，THz，1THz=1012Hz）波通常指频率在0.1-10THz（波长为3mm-30μm）范围内的电磁辐射，从频率上看，位于微波和光波之间。人工电磁媒质，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。超导在THz波段损耗比金属低得多，能隙频率也在THz波段，因此THz强电场可在超导中激发很强的非线性，这使超导超材料成为非线性THz器件非常好的研究平台。本项目中，我们实现了低温（4K-室温）、强场（几到几百kV/cm可变）太赫兹时域光谱（TDS）系统。并且利用该系统研究测量了超导薄膜NbN材料的非线性特性，还利用超导薄膜设计设备了THz波段的非线性超材料，利用我们的低温强场THz光谱系统研究了其非线性特性。我们从超导薄膜非线性特性的理论模型建立和测量研究出发，研究单谐振子超导超材料的非线性特性，然后结合单谐振子间的耦合作用，构建和研究金属-超导复合模式的超导超材料，研究其非线性特性，并通过非线性主动调控，实现模式切换的功能，同时观测到了Higgs模式的激发。得到了高性能调控器件，实现高开关比、高响应速度、高调制速率的调制器，为THz技术和超导技术的应用打下基础。