撰稿|本文由课题组投稿
南开大学电子信息与光学工程学院季鲁副教授和南京大学电子科学与工程学院吴敬波副教授在约瑟夫森等离子体激发的研究中获重大突破。相关研究成果于2021年9月23日以“Josephson Plasmon Resonance in Tl2Ba2CaCu2O8 High-Temperature Superconductor Tunable Terahertz Metamaterials”为题发表于世界顶尖科技期刊Advanced Functional Materials（《先进功能材料》）上。南开大学的郭蓉同学和南京大学的段思宇同学为论文的共同第一作者，季鲁副教授和吴敬波副教授为论文的共同通信作者。南京大学电子学院吴培亨院士、金飚兵教授、陈健教授、王华兵教授和南开大学电光学院何明教授在实验设计、测量和结果分析等方面做出了重大贡献和支持。南开大学为论文第一单位。该研究受到国家重点研发计划(2017YFA0700202)、国家自然科学基金(61521001, 62071217, 62027807)等项目的资助。
在层状高温超导体中，层间存在着本征约瑟夫森效应，并产生电场沿着c轴方向的约瑟夫森等离子体振荡（Josephson Plasmon Resonance, 简称JPR）。JPR有许多奇异的性质，并在多个研究领域有潜在的应用。例如在铜氧化物高温超导材料中，源于超导电流与两个铜氧超导层之间相位变化关系的非线性效应可用于非线性器件的开发。还可以利用太赫兹脉冲辐射对JPR的超快调控，实现超导态、电阻态之间的超快切换以及参量放大等。相比于JPR的理论研究，该方面实验工作的报道仍然很少。这其中的难点包括制作高质量的薄膜以及如何实现自由空间辐射电磁波与JPR的耦合。目前激发JPR的传统方法是基于棱镜的全内反射法或使用纳米针尖。
针对JPR的激发问题，南开大学电子信息与光学工程学院季鲁副教授和南京大学电子科学与工程学院吴敬波副教授合作，开发了一种基于高质量Tl2Ba2CaCu2O8（Tl-2212）薄膜制成的高温超导超材料，并研究了它们的太赫兹传输特性。该工作观察和讨论了Tl-2212高温超导超材料中JPR的光谱响应和共振激发的调谐。为了研究JPR的机理，两个团队对电场分布进行了电磁模拟，仿真结果表明亚波长谐振器的散射可以为JPR激发提供z轴电场分量。为了研究JPR频率随温度的变化，测量了Tl-2212薄膜的太赫兹透射谱，超材料中JPR频率的温度依赖性与薄膜本身的实验结果一致。该工作还研究了JPR与超材料谐振模式之间的耦合作用。这项工作为激发JPR和层状超导体中的物性研究提供了一条途径。约瑟夫森等离子体超材料的发展将有助于开发新型太赫兹调制器和非线性器件。
图1 LaAlO3衬底上的Tl-2212 超材料在垂直入射下的示意图，插图为单元结构。
图2 当电场a）平行于间隙和b）垂直于间隙时，Tl-2212超材料在不同温度下的透射光谱（每条曲线垂直偏移0.1），红色虚线指示JPR。c）LC模式谐振频率和d）偶极子模式谐振频率与温度的关系。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106891
DOI: 10.1002/adfm.202106891
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