超导氮化铌薄膜的太赫兹响应及其在人工电磁媒质中的应用

超导薄膜在Meissner态和混合态的太赫兹波响应，是超导薄膜物理中的一个重要内容，它可以确定与超导特性有关的许多参数。本申请的第一个部分就是利用THz时域光谱技术，研究超导NbN薄膜在Meissner态和混合态的太赫兹响应，揭示它的低损耗以及它的磁场调控机制和回滞特性，建立相应的物理模型。本申请的第二个部分，就是把这些特性应用到新型人工电磁媒质的研究中。设计和制备出低损耗的超导太赫兹人工电磁媒质；并利用磁场调控机制以及新的谐振单元的设计，得到宽的频率调谐范围; 我们还用新设计的太赫兹谐振单元，以求实验显示明显的太赫兹信号传输的磁滞特性。这些特性的研究对于人工电磁媒质满足在通信、国防和医疗等领域的国家重大需求，促进它的的发展具有重要的意义。

根据申请书中技术路线和计划安排，我们重点研究了基于超导NbN薄膜的太赫兹（THz）人工电磁媒质(metamaterial)。我们首先制备出低损耗的超导THz metamaterial, 在8K时谐振频率为0.6THz时其无载品质因数可以达到180，而同样结构的用金制备的metamaterial, 在同样温度下其无载品质因数为7，两者相差20倍以上。论文发表后即受到关注，并被报道超导商业化、市场、产品、商业培育和研发的杂志《Superconductor Week》专门给于报道。达到了申请书中第一个任务。我们还研究了几种THz metamaterial, 他们的谐振频率选择在能隙频率以上和以下，对于NbN薄膜。其能隙频率大约1.2THz。我们发现在能隙频率以下，metamaterial都有比较好的谐振特性，也就是高的品质因数。在能隙频率以上，metamaterial的谐振特性变得很差。另一个重要的特点就是宽的温度调谐特性，在转变温度以下，metamaterial具有非常高的温度调谐特性。我们发现在转变温度下，其频率的相对变化率超过30%， 完成了申请书中的第二个任务。除了完成申请书所指定的所有任务外，我们还利用超导THz metamaterial, 研究了电磁诱导透明现象，实现了高延迟-带宽积的器件。我们的文章被APL(应用物理领域的顶级期刊) 审稿人评为Excellence（特优）的工作。我们还利用高场THz TDS系统，研究了超导NbN薄膜的非线性特性，以及基于该特性的非线性THz metamaterial以及超快开关效应的演示，这是国际上首次开展类似的研究。在受基金资助期间，我们共发表SCI论文17篇，包括在行业内的重要期刊Appl. Phys. Lett., Opt. Express和New J Physics上发表论文7篇。论文也被国际上重要期刊如Nat. Photonics和Nat. Materials上的文章应用。申请专利2项。与英国Liverpool大学的Y. C. Shen博士共同撰写了由Woodhead publishing出版社出版的学术专著中一个章节。受邀在国际会议上做邀请报告5次。在资助期间，分别有1名和5名同学获得博士和硕士学位，圆满地完成了申请书上的各项预定任务。