研究背景与意义
太赫兹（THz）技术在6G无线通信、生物医学成像、安检、深空探测等领域展现巨大潜力，但缺乏高效、可调、低损耗THz功能器件是主要瓶颈。传统金属/介电超材料在THz波段损耗高、调谐难；超导超材料凭借极低欧姆损耗、可调超导载流子密度，成为理想候选。特别是层状高温超导体（如Bi-2212、Tl-2212）中的Josephson等离子体共振（JPR）——沿c轴Cooper对集体隧穿激发——频率天然落于THz波段，具有低损耗、强非线性、超快响应等独特优势，可用于高功率THz发射、非线性放大、超快开关等。
然而，JPR激发需c轴电场分量，自由空间正常入射无法直接耦合；传统棱镜全内反射或尖端近场方法复杂、效率低，且难以集成。如何利用亚波长结构增强c轴场耦合，实现JPR自由空间高效激发与可调，成为Josephson等离子体器件实用化核心难题。
核心突破：Tl-2212双裂环超材料实现Josephson等离子体共振自由空间激发
南京大学超导电子学研究所吴敬波教授团队，首次制备Tl₂Ba₂CaCu₂O₈（Tl-2212）高温超导THz超材料：双裂环阵列（DSRR）结构在LaAlO₃衬底上，实现液氮温区（至90 K）可调透射谱与Josephson等离子体共振（~0.6 THz）自由空间激发。
关键机制
1. 双裂环结构：LC模式（0.4 THz）+偶极模式（1.0 THz），亚波长散射产生显著z轴电场分量，实现JPR高效耦合。
2. 温度调谐：超导转变（Tc=105 K）导致动能电感跃变与表面阻抗变化，LC模式先红移后蓝移。
3. JPR激发：~0.6 THz共振谷，频率随温度红移，与c轴临界电流Jc^{1/2}符合。
4. 模式耦合：JPR与LC/偶极模式弱耦合导致频率排斥，解释异常温度依赖。
实验验证与极致性能
· 工作温度：至90 K仍保持强共振（透射谷<0.2），远超传统超导超材料。
· JPR频率：纯膜0.34–0.58 THz；超材料0.45–0.65 THz（耦合蓝移）。
· c轴Jc验证：JPR提取Jc与本征Josephson结测量一致。
· 低损耗：表面电阻随温度骤降，液氮温区仍极低。
科学意义与应用前景
1. 首次自由空间激发Josephson等离子体：超材料散射提供c轴场，突破传统棱镜/近场限制。
2. 探针层状超导：JPR温度依赖直接反映c轴Cooper对隧穿，为研究高温超导机理提供新平台。
3. 可调/非线性THz器件：
· 温度/电流调谐：液氮温区大范围调谐；
· 非线性：JPR强非线性，支持谐波产生、参量放大；
· 高功率发射：相位锁定提升辐射功率；
· 超灵敏探测：局域场增强提升Josephson结探测灵敏度。
4. 集成潜力：Tl-2212高Tc兼容液氮冷却，易与硅基/光子集成。
图文导读
图1：Tl-2212超材料结构
双裂环阵列示意图（周期100 μm×50 μm），单元参数：l=36 μm, w=g=8 μm, d=14 μm。
图2：模拟透射谱与场分布
(a,b) 电场平行/垂直裂隙时透射谱（LC0.44 THz，偶极1.11 THz）。(c–f) 表面电流与电场分布，证实LC与偶极模式。
图3：实验透射谱温度依赖
(a,b) 电场平行/垂直裂隙多温度谱（偏移显示）。(c,d) LC与偶极模式频率vs温度（LC先红移后蓝移）。
图4：纯膜特性
(a) 500 nm Tl-2212膜透射谱（JPR红移）。(b) 0.375 THz复电导率。(c) 表面阻抗（电阻骤降、电抗负值）。
图5：z轴电场模拟
(a,b) DSRR散射产生显著Ez，促进JPR激发。
图6：JPR温度依赖
(a) 膜与超材料JPR频率vs温度。(b) c轴Jc归一化（JPR提取vs本征结测量，重合）。
论文信息
成果以“Josephson Plasmon Resonance in Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ High-Temperature Superconductor Tunable Terahertz Metamaterials”为题，发表于材料领域顶级期刊 Advanced Functional Materials。
文献来源
Rong Guo, Siyu Duan, Ze He, Xuelian Liang, Zihan Niu, Ming He, Yushun Jiang, Jingbo Wu*, Lu Ji*, Biaobing Jin, Jian Chen, Huabing Wang, Peiheng Wu. “Josephson Plasmon Resonance in Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ High-Temperature Superconductor Tunable Terahertz Metamaterials” Adv. Funct. Mater. 31, 2106891 (2021)