图1不同泵浦激励下混合超表面的传输谱
1. 导读
在过去的十余年中，太赫兹超表面的动态调控取得了令人瞩目的进展。常用的方法是将可调谐材料或相变材料作为超表面单元的一部分，通过外部激励改变单元的介电特性，实现对太赫兹波的动态调控。为了便于其在高速无线通信和成像领域的应用，需要引入具有超快响应器件的材料和器件，实现对太赫兹波的超快调控。基于半导体材料异质结的超快太赫兹超表面已经取得了吉赫兹的调制速度。但相位调节范围小，寄生效应和插入损耗大问题使得超快太赫兹超表面的研究具有挑战性。
针对以上问题，近日南京大学吴培亨院士课题组的金飚兵教授与南开大学和紫金山实验室团队合作，在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种太赫兹超导-金属混合超表面，将超薄超导微桥引入金属谐振器，利用超导薄膜对外部光脉冲和强太赫兹脉冲的灵敏响应，在皮秒尺度内实现了谐振模式切换。在强太赫兹泵浦脉冲激发下观察到的透射谱在时域和频域的周期性振荡，被认为是超导电子的Higgs模式的激发对太赫兹波的超快调制。该研究成果为利用凝聚态物质的集体模式实现超快操纵太赫兹波打开了大门，并为开发高速太赫兹调制器件提供了一个全新的途径。
2014年，日本东京大学R. Shimano课题组在《Science》上报道，利用强太赫兹瞬态电场激励超导薄膜，成功观察到Higgs模式振荡。该模式是指超导序参量的集体振幅波动，它源于超导电子的自发对称性破缺。然而，该模式在线性激发范围内与外部激发电磁场没有耦合，这给实验观察和应用带来了困难。
超导薄膜因其低的欧姆损耗和对外部激励的快速响应而备受关注。超导太赫兹超表面可以实现高Q值，增强太赫兹波与物质之间的相互作用。除此之外，超导材料的能隙在毫电子伏量级，与太赫兹光子能量处于同一量级。当超导薄膜被强太赫兹脉冲激励时，谐振激发会出现许多有趣的物理现象，Higgs模式是其中一种有趣的物理现象。当它被激发时，宏观上超导体的电导率会以皮秒周期振荡，这为太赫兹超快调控提供了可能的途径。
3. 创新研究
研究人员从利用激发Higgs模式实现超快太赫兹波调制出发，提出了一种由金属谐振器和超薄超导微桥组成的超导-金属混合超表面。通过外界激励引起微桥的超导特性发生变化，从而改变金属腔之间的耦合，实现频谱响应的切换（见图1）。研究人员首先利用光泵浦-太赫兹探测时域光谱，证明谐振模式切换的时间最快可达6 ps，最大开关比为9 dB, 调制深度最高达90 %。泵浦和探测脉冲之间的时间差tpp可以看成调节频谱谐振幅度大小的旋钮。混合超表面的频谱和完成模式切换的时间也可以通过泵浦光的强度调控（见图2）。
随后，研究人员利用太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱，在2.8 ps 时间范围内实现了谐振模式切换，最大开关比为11 dB。分析时域信号发现，在tgate = 3.5 ps附近，主脉冲在时域上没有明显的振幅变化和时间偏移。相反，在tgate = 5.7和7.0 ps附近，拖尾信号发生了显著的变化（见图3）。
研究人员进一步发现，在不同太赫兹泵浦强度下，tgate = 5.7 ps处的电场变化（ΔEprobe）的时间曲线呈现出周期性振荡，与NbN薄膜上观测到的Higgs模式振荡现象类似。对ΔEprobe随时间变化的曲线进行拟合，得到了Higgs模式的振荡频率，振荡频率随场强增大而逐渐减小。在对应的频谱上，三个谐振频率处的透射系数变化量（ΔT）在tpp = 3 - 6 ps范围内表现出周期性的振荡行为（见图4）。金属谐振器之间的耦合系数随着超导序参量（即超导性）的振荡而变化。研究结果表明，Higgs模式振荡可以周期性地改变金属腔之间的耦合，从而可以实现对太赫兹波的超快调制。
图4 太赫兹泵浦激励下Higgs模式激发以及对频谱谐振幅度的超快调制
研究团队提出了一种超导-金属混合超表面，利用在超导微结构中激发的Higgs模式，实现了对太赫兹波的超快调控。由于Higgs振幅模式与腔模式没有耦合相互作用，并且其频率在太赫兹范围内，混合超表面为开发超快太赫兹调制器提供了一个极好的平台。
该研究成果以“Picosecond mode switching and Higgs amplitude mode in superconductor-metal hybrid terahertz metasurface”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是段思宇，蒋余顺，吴敬波，季鲁，何明，邱红松，范克彬，张彩虹，朱广浩，贾小氢，王华兵，金飚兵，陈健，吴培亨，其中南京大学超导电子学研究所的吴敬波和金飚兵教授以及南开大学电子信息与光学工程学院的季鲁副教授为共同通讯作者。
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