段思宇，吳敬波,2,*，范克彬,2，張彩虹,2，金飚兵,2，陳 健,2，吳培亨,2

(1.南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，超導(dǎo)電子學(xué)研究所，南京 210023; 2. 紫金山實(shí)驗(yàn)室，南京 211111)

0 引言

超材料(metamaterials)是一類人工電磁材料，它將人工設(shè)計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu)按照一定的空間排布來實(shí)現(xiàn)特定的電磁響應(yīng)[1-2]。超材料的出現(xiàn)極大地增加了電磁波調(diào)控的自由度，它可以實(shí)現(xiàn)天然或化學(xué)合成材料所不存在的電磁現(xiàn)象，如電磁隱身[3]、渦旋光束產(chǎn)生[4]、超透鏡[5-6]、全息成像等[7-8]。通常超材料是采用金屬和介質(zhì)材料制作而成，材料自身的損耗是限制超材料性能的關(guān)鍵因素。如果將外界激勵(lì)下具有調(diào)諧特性的材料集成到超材料單元中，可以構(gòu)造出可重構(gòu)[9-10]和可編程[11-12]的超材料，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。利用一些材料對(duì)電磁波的奇異響應(yīng)，也可以構(gòu)造具有特殊功能的超材料，如非線性超材料[13-14]、記憶超材料[15-16]等。

超導(dǎo)現(xiàn)象是指當(dāng)某些材料降到一定溫度以下，直流電阻突然消失并出現(xiàn)排斥磁場的現(xiàn)象。超導(dǎo)電性由荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)，此后，人們陸續(xù)在很多金屬、合金和化合物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)電性的主要特征包括直流電阻為零、完全的抗磁性和宏觀量子效應(yīng)[17]。超導(dǎo)材料可以分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)體一般需要工作在液氦溫區(qū)甚至更低的溫度，常見的低溫超導(dǎo)體有鋁(Al)、鈮(Nb)、鈮三錫(Nb3Sn)、氮化鈮(NbN)等，低溫超導(dǎo)體被廣泛應(yīng)用于高靈敏探測器[18]、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)[19]、強(qiáng)磁體[20]等領(lǐng)域。隨著銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)體受到了廣泛的關(guān)注[21]。高溫超導(dǎo)材料盡管在制備加工和穩(wěn)定性等方面存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是在電力輸運(yùn)[22]、儲(chǔ)能[23]等方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

隨著超材料的興起，超導(dǎo)材料的優(yōu)良特性也受到廣泛關(guān)注，基于超導(dǎo)材料的超材料也得到了較快發(fā)展。超導(dǎo)材料在能隙頻率以下具有極低的損耗，這有助于解決超材料的損耗難題。2005年，美國馬里蘭大學(xué)的Ricci等人[24]以Nb膜為材料，首先在微波頻段實(shí)現(xiàn)了具有負(fù)折射率的超導(dǎo)超材料。超導(dǎo)電性可以通過外加激勵(lì)，如磁場[25]、泵浦激光[26]、溫度[27-28]等手段進(jìn)行調(diào)控，因而超導(dǎo)超材料可以用來實(shí)現(xiàn)電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。利用超導(dǎo)材料的抗磁性制作的超材料可以實(shí)現(xiàn)磁場的調(diào)控[29]。近年來，具有量子效應(yīng)的超導(dǎo)超材料也被提出[30]。隨著制冷技術(shù)的迅速發(fā)展，低溫設(shè)備的體積和成本顯著降低，這也為超導(dǎo)材料能得到進(jìn)一步廣泛應(yīng)用提供了條件。

本文對(duì)超導(dǎo)超材料的發(fā)展、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。首先，對(duì)低損耗和可調(diào)諧超導(dǎo)超材料、超導(dǎo)等離激元器件、超導(dǎo)量子超材料和抗磁性超導(dǎo)超材料的原理和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了總結(jié)。接下來，介紹了超導(dǎo)超材料在科學(xué)研究和工程中的應(yīng)用。最后，對(duì)超導(dǎo)超材料的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 低損耗和可調(diào)諧的超導(dǎo)超材料

超導(dǎo)材料在超導(dǎo)態(tài)和能隙頻率以下具有較低的歐姆損耗，非常適合開發(fā)低損耗的超材料。超導(dǎo)體具有復(fù)數(shù)電導(dǎo)率，在熱、電、光、磁場等外部激勵(lì)下，電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生顯著變化。因此，超導(dǎo)超材料具有良好的調(diào)諧特性。

1.1 低損耗超導(dǎo)超材料

在超材料的研究中，由于材料自身的歐姆損耗，使得許多物理現(xiàn)象和器件性能不能很好地實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)材料為開發(fā)低損耗、高性能的超材料提供了一種解決方案。盡管高溫超導(dǎo)材料具有較高的工作溫度，但是由于很多高溫超導(dǎo)體是d波配對(duì)，能隙中存在節(jié)點(diǎn)，能隙頻率以下的光子也可以破壞超導(dǎo)電子對(duì)，導(dǎo)致薄膜損耗很大，因此，在太赫茲波段，YBCO等高溫超導(dǎo)薄膜并不適合用來制作低損耗的超材料。低溫超導(dǎo)薄膜在能隙頻率以下由于歐姆損耗更低，更適合開發(fā)低損耗的超材料。

2005年，美國馬里蘭大學(xué)Anlage課題組[24]采用超導(dǎo)Nb膜制備了低損耗的微波段超導(dǎo)超材料。超材料由超導(dǎo)線、超導(dǎo)開口環(huán)諧振器和低損耗介質(zhì)襯底組成。在超導(dǎo)態(tài)，該超材料具有負(fù)的折射率。由于超導(dǎo)薄膜的低損耗，可以用于開發(fā)結(jié)構(gòu)極其緊湊、高Q值的超材料。2011年，Anlage課題組[31]報(bào)道了工作在射頻段的緊湊型超導(dǎo)超材料。超材料單元采用平面螺旋線諧振器結(jié)構(gòu)，單元尺寸為自由空間波長的1/658。通過改變溫度或磁場，可以調(diào)控超材料的磁響應(yīng)。

NbN與Nb相比，具有更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和能隙電壓，其能隙頻率在1.2 THz左右。因此，超導(dǎo)NbN薄膜可以用來制作工作頻率更高的太赫茲超材料。2012年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所[32]利用超導(dǎo)NbN薄膜制備了具有電諧振結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)超材料。如圖1所示，在8 K時(shí)，超材料傳輸譜具有非常尖銳的吸收峰，這表明該超材料具有極高的Q值。實(shí)驗(yàn)得到無載Q值高達(dá)178，而同樣結(jié)構(gòu)的金屬超材料只有7左右。對(duì)于諧振頻率為1.02 THz的超導(dǎo)超材料，其無載Q值也達(dá)到了90。超導(dǎo)NbN超材料在太赫茲頻段展現(xiàn)了優(yōu)異的低損耗特性。

圖1 (a) 高Q值太赫茲NbN超導(dǎo)超材料的顯微鏡照片；(b) 不同溫度下太赫茲傳輸譜，插圖為同樣幾何結(jié)構(gòu)的金屬超材料的太赫茲傳輸譜[32]Fig. 1 (a) Microscopic image of the high Q-factor terahertz NbN superconducting metamaterial; (b) Terahertz transmission spectra at different temperatures, inset shows the terahertz transmission of the metallic metamaterial with the same geometric structure [32]

在超材料中，除了導(dǎo)體材料的歐姆損耗，諧振結(jié)構(gòu)的輻射損耗也是超材料損耗的主要來源。近年來，支持Fano諧振、環(huán)形偶極子諧振的超導(dǎo)超材料也相繼被報(bào)道[33]。在這類超材料中，暗膜不能被入射電磁波直接激發(fā)，因而沒有輻射損耗。2016年新加坡南洋理工大學(xué)Singh課題組[33]采用高溫超導(dǎo)YBCO薄膜，基于低不對(duì)稱性的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種具有高Q值Fano諧振的太赫茲超材料。在同樣結(jié)構(gòu)的金屬超材料中，沒有觀察到Fano諧振，這說明超導(dǎo)超材料相比金屬超材料具有更低的損耗。

1.2 可調(diào)諧超導(dǎo)超材料

1.2.1 熱調(diào)控超導(dǎo)超材料

由開口諧振環(huán)陣列組成的超材料，其諧振頻率(fr)可以表示為fr= 2π / (LC)1/2，其中L和C分別為諧振器的電感和電容。對(duì)于超導(dǎo)超材料，除諧振結(jié)構(gòu)的幾何電感外，超導(dǎo)薄膜還存在隨溫度變化的動(dòng)態(tài)電感。當(dāng)超導(dǎo)材料從正常態(tài)跳變到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)薄膜的動(dòng)態(tài)電感會(huì)顯著增加，使得諧振頻率會(huì)顯著降低。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，庫珀對(duì)濃度增大。根據(jù)超導(dǎo)二流體模型，超導(dǎo)體的倫敦穿透深度降低，動(dòng)態(tài)電感隨之降低，從而導(dǎo)致諧振頻率逐漸增加。

利用超導(dǎo)薄膜復(fù)數(shù)電導(dǎo)率的溫度調(diào)諧特性可以開發(fā)熱調(diào)控的超材料。2007年，馬里蘭大學(xué)Anlage[34]采用YBCO薄膜制備了超導(dǎo)超材料，展示了超導(dǎo)超材料的可調(diào)諧特性。該超材料工作在X波段，由超導(dǎo)波導(dǎo)、超導(dǎo)線和開口環(huán)諧振器組成。通過改變溫度、直流磁場和射頻磁場，都可以實(shí)現(xiàn)超材料電磁響應(yīng)的調(diào)諧。

2010年，美國俄克拉荷馬州立大學(xué)張偉力課題組[35]采用YBCO薄膜，研制了高溫超導(dǎo)太赫茲超材料。當(dāng)溫度降至轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，超材料的透射峰峰值發(fā)生了顯著變化。同年，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室陳侯通課題組[36]研究了YBCO太赫茲超材料的諧振頻率調(diào)諧特性。通過改變溫度，觀察到超材料的諧振頻率發(fā)生了明顯的偏移?；趯?shí)驗(yàn)測量得到了超導(dǎo)薄膜復(fù)電導(dǎo)率，并通過數(shù)值計(jì)算復(fù)現(xiàn)了頻率調(diào)諧的特征，從而證明頻率調(diào)諧特性是由超導(dǎo)薄膜溫度依賴的動(dòng)態(tài)電感引起的。2011年南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所[37]采用NbN薄膜制備了具有電諧振結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)超材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)諧振頻率接近能隙頻率時(shí)，頻率調(diào)諧范圍可以達(dá)到30%。

1.2.2 電調(diào)控超導(dǎo)超材料

超導(dǎo)材料無阻載流的能力是有限的，當(dāng)電流值超過某一特定值(臨界電流)后，超導(dǎo)材料電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生突變。此外，由于存在電極接觸電阻和金屬引線電阻，即使電流低于超導(dǎo)臨界電流，也會(huì)由于歐姆損耗導(dǎo)致超導(dǎo)薄膜的溫度發(fā)生變化，從而改變超導(dǎo)超材料的調(diào)制特性。

2012年，英國南安普頓大學(xué)Zheludev課題組[38]實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)超材料的電流調(diào)制。他們采用Nb膜制備了毫米波段的超導(dǎo)超材料，當(dāng)施加控制電流時(shí)，由于電流產(chǎn)生的磁場和熱效應(yīng)，引起傳輸譜發(fā)生改變。該超材料的調(diào)制深度達(dá)45%，調(diào)制頻率達(dá)到100 kHz。2017年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所[39]開發(fā)了一種基于超導(dǎo)超材料的太赫茲電調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。在正弦電信號(hào)的控制下，該器件最高可以實(shí)現(xiàn)約1 MHz的調(diào)制速度。

1.2.3 光調(diào)控超導(dǎo)超材料

當(dāng)對(duì)超導(dǎo)超材料施加近紅外光和可見光泵浦時(shí)，由于光子能量遠(yuǎn)高于超導(dǎo)能隙，光子吸收導(dǎo)致庫珀對(duì)被拆散并產(chǎn)生準(zhǔn)粒子，從而導(dǎo)致超導(dǎo)材料失去超導(dǎo)電性。因此，通過光泵浦可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)超材料電磁響應(yīng)的調(diào)控。

2012年，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室陳侯通課題組[26]研究了高溫超導(dǎo)超材料在近紅外飛秒激光下的超快調(diào)諧特性。如圖2所示，增加光泵浦功率會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)的明顯變化，對(duì)應(yīng)的透射譜中諧振幅度降低和頻率紅移同時(shí)也會(huì)帶來顯著的熱效應(yīng)和較長的弛豫時(shí)間。2018年，新加坡南洋理工大學(xué)Singh課題組[40]利用光泵浦導(dǎo)致的超導(dǎo)超材料傳輸特性超快轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了雙通道的光學(xué)開關(guān)。

圖2 YBCO超導(dǎo)超材料在近紅外飛秒激光激發(fā)下的傳輸信號(hào)的超快轉(zhuǎn)變[26] Fig. 2 Ultrafast dynamics of terahertz transmission signal of YBCO superconducting metamaterial excited by near-infrared femtosecondlaser [26]

1.2.4 磁場調(diào)控超導(dǎo)超材料

超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有完全的抗磁性，但當(dāng)磁場超過某一特定值后，會(huì)失去超導(dǎo)電性回到正常態(tài)。2010年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所與德國伍茲堡大學(xué)合作，采用連續(xù)波太赫茲光譜系統(tǒng)研究了基于超導(dǎo)Nb膜的太赫茲超材料[25]。測試結(jié)果表明，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，超導(dǎo)超材料具有較低的損耗。通過改變施加的磁場強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲傳輸譜的調(diào)諧。

1.3 非線性超導(dǎo)超材料

雖然太赫茲光子的能量小于超導(dǎo)能隙，但在強(qiáng)場太赫茲脈沖的激勵(lì)下，可以激發(fā)超導(dǎo)薄膜的非線性效應(yīng)。例如，在1 THz頻率和30 kV/cm電場下，太赫茲脈沖的有質(zhì)動(dòng)力能為10 meV，高于NbN的能隙(5.2 meV)，因此強(qiáng)場太赫茲脈沖可以拆散庫珀對(duì)。2012年，日本東京大學(xué)Shimano課題組[41]研究了NbN薄膜在強(qiáng)太赫茲電場下的傳輸特性，隨著場強(qiáng)的增加，NbN薄膜的電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。2014年，該課題組使用窄帶強(qiáng)太赫茲脈沖，在24 nm厚的NbN薄膜上激發(fā)出三次諧波，超導(dǎo)薄膜在太赫茲強(qiáng)場作用下表現(xiàn)出了非線性效應(yīng)[42]。

2013年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所與日本大阪大學(xué)Tonouchi課題組合作，研究了超導(dǎo)超材料在強(qiáng)場太赫茲脈沖激勵(lì)下的非線性效應(yīng)[43]。由于入射太赫茲場強(qiáng)改變了超導(dǎo)薄膜的電導(dǎo)率，從而引起透射譜發(fā)生改變。通過改變太赫茲電場的場強(qiáng)，超材料的太赫茲傳輸譜具有明顯的非線性效應(yīng)。同年，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室Grady等人[44]報(bào)道了高溫超導(dǎo)YBCO超材料的非線性太赫茲響應(yīng)。如圖3所示，隨著入射太赫茲場強(qiáng)的增大，透射譜的諧振幅度急劇下降，諧振頻率發(fā)生偏移。太赫茲泵浦-太赫茲探測系統(tǒng)的測試結(jié)果展示了太赫茲透射譜在幾皮秒時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化過程。

圖3 太赫茲脈沖的電場強(qiáng)度對(duì)不同溫度下YBCO超導(dǎo)超材料的傳輸譜的影響[44] Fig. 3 Effect of electric field strength of terahertz pulse on transmission spectra of YBCO superconducting metamaterials at different temperatures [44]

2016年，英國南安普頓大學(xué)Zheludev課題組[45]報(bào)道了一種工作在毫米波頻段的非線性超導(dǎo)超材料，三階非線性系數(shù)高達(dá)10 cm2/W，弛豫時(shí)間為25 μs。他們?cè)诔牧蠁卧幸爰{米橋區(qū)，入射電磁波對(duì)納米結(jié)構(gòu)加熱導(dǎo)致了傳輸譜發(fā)生非線性變化。非線性超材料在開關(guān)、路由、檢測等領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。

2 超導(dǎo)等離激元器件

表面等離激元是指在電磁場的驅(qū)動(dòng)下，束縛在導(dǎo)體和電介質(zhì)界面上的電子的集體振蕩。表面等離激元可以將電磁波能量限制在亞波長尺度，并具有很強(qiáng)的局域場增強(qiáng)特性?；诘入x激元的器件和電路在信號(hào)調(diào)控和傳輸、高靈敏度生物傳感等方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[46]。在光學(xué)頻段，金屬材料由于介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)數(shù)且絕對(duì)值遠(yuǎn)大于介電常數(shù)虛部，可以作為良好的等離子體媒質(zhì)。在太赫茲和微波頻段，金屬的電磁響應(yīng)可以近似為理想導(dǎo)體，不支持等離激元的激發(fā)，因此近年來科研人員一直在尋找太赫茲波段更適合的等離激元材料。

在太赫茲及更低頻段，超導(dǎo)體具有負(fù)的介電常數(shù)，并具有顯著的動(dòng)態(tài)電感效應(yīng)，因此可以視為等離子體媒質(zhì)。在微觀機(jī)制上，由于超導(dǎo)電子對(duì)可以幾乎無損耗地通過晶格，入射光子的能量可以轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)電子對(duì)的動(dòng)能儲(chǔ)存下來。因此，超導(dǎo)材料可以支持等離激元的激發(fā)。在能隙頻率以上，入射的光子拆散超導(dǎo)電子對(duì)，導(dǎo)致材料損耗增大，使得超導(dǎo)材料不再滿足等離子體媒質(zhì)的要求。超導(dǎo)材料已經(jīng)被用于毫米波和太赫茲等離激元器件的研究中。另外，在層狀高溫超導(dǎo)體銅氧化物中，由于超導(dǎo)層間的約瑟夫森耦合導(dǎo)致約瑟夫森等離激元的激發(fā)。利用約瑟夫森等離激元的獨(dú)特性質(zhì)，可以開發(fā)新型的電磁調(diào)控器件。

2.1 超導(dǎo)等離激元器件

由于超導(dǎo)體是等離子體媒質(zhì)且具有極低的損耗，超導(dǎo)等離激元器件也具有溫度、電流、磁場和瞬態(tài)電場的調(diào)諧特性。因此，超導(dǎo)材料是開發(fā)低損耗、可調(diào)諧的太赫茲等離激元器件的優(yōu)異材料[47]。在超導(dǎo)薄膜亞波長小孔陣列中，由于表面等離激元的激發(fā)，在太赫茲透射譜中會(huì)出現(xiàn)透射增強(qiáng)現(xiàn)象。此外，超導(dǎo)材料還可以用來制作低損耗的太赫茲等離激元波導(dǎo)。

2010年，科研人員研究了高溫超導(dǎo)薄膜亞波長小孔陣列的透射譜，在毫米波和太赫茲頻段觀察到了透射增強(qiáng)的現(xiàn)象[48-49]。美國俄克拉何馬州立大學(xué)的張偉力課題組[48]通過太赫茲時(shí)域光譜測試，證明高溫超導(dǎo)薄膜的周期性亞波長小孔陣列中存在表面等離激元激發(fā)引起的異常透射現(xiàn)象，并證實(shí)了透射強(qiáng)度隨溫度而變化。南安普頓大學(xué)Zheludev課題組[49]報(bào)道了毫米波頻段高溫超導(dǎo)亞波長小孔陣列的異常透射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，毫米波傳輸系數(shù)對(duì)溫度的依賴性是由材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化引起的。在正常態(tài)，超導(dǎo)材料可以視為有耗金屬，傳輸系數(shù)較低。當(dāng)樣品進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)并接近超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，超導(dǎo)材料可以支持等離激元的激發(fā)，此時(shí)樣品具有最大的傳輸系數(shù)。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，材料可以被認(rèn)為是理想導(dǎo)體，這時(shí)傳輸系數(shù)略有下降。

2011年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所[50]報(bào)道了超導(dǎo)NbN薄膜亞波長小孔陣列的異常透射現(xiàn)象。在太赫茲頻段，由于超導(dǎo)材料的低損耗和表面等離激元的激發(fā)，超導(dǎo)狀態(tài)下透射峰有顯著的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)還觀察到透射峰的諧振頻率隨溫度變化會(huì)發(fā)生偏移，這主要取決于超導(dǎo)薄膜動(dòng)態(tài)電感的變化以及表面等離激元和局域等離激元的耦合作用。2014年，該課題組與日本大阪大學(xué)Tonouchi課題組合作，利用強(qiáng)場太赫茲脈沖對(duì)超導(dǎo)NbN薄膜亞波長小孔陣列的傳輸特性進(jìn)行了研究[51]。在太赫茲場強(qiáng)較強(qiáng)的情況下，傳輸譜具有顯著的非線性效應(yīng)。此外，利用太赫茲泵浦-太赫茲探測光譜測量了探測脈沖的時(shí)間演化，在太赫茲脈沖電場泵浦后，透射譜的切換時(shí)間小于5 ps。

太赫茲波和超導(dǎo)等離激元結(jié)構(gòu)之間具體如何相互作用的研究，對(duì)于研究闡明異常透射現(xiàn)象的物理機(jī)制具有重要意義。南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所與南開大學(xué)劉海濤課題組合作，測試出一系列超導(dǎo)亞波長小孔陣列的太赫茲增強(qiáng)透射現(xiàn)象，并采用微觀復(fù)合表面波模型進(jìn)行了理論分析，闡明了異常透射的微觀物理機(jī)制[52]。如圖4所示，理論計(jì)算的太赫茲傳輸譜和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。理論分析表明：當(dāng)小孔寬度遠(yuǎn)低于波長時(shí)，透射增強(qiáng)主要是由小孔周圍的局部共振引起的；當(dāng)小孔較大時(shí)，由小孔陣列散射的表面波占據(jù)主導(dǎo)地位；當(dāng)溫度接近臨界溫度，工作頻率接近能隙頻率時(shí)，表面等離激元的激發(fā)效率顯著提高。

圖4 (a) 超導(dǎo)NbN亞波長小孔陣列和太赫茲光譜示意圖；(b) 樣品在超導(dǎo)態(tài)下的太赫茲透射譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果[52]Fig. 4 (a) Schematic diagram of superconducting NbN subwavelength hole array and the terahertz spectra; (b) Experimental and calculated terahertz transmission spectrum of the sample in the superconducting state [52]

2011年，臺(tái)灣彰化師范大學(xué)Lee等人[53]通過數(shù)值計(jì)算研究了周期性超導(dǎo)光柵的透射特性。在計(jì)算得到的透射譜中觀察到透射強(qiáng)度接近100%的透射峰，這可以歸因于超導(dǎo)光柵和真空區(qū)域界面上的表面等離激元的激發(fā)。當(dāng)圓形超導(dǎo)帶條的直徑接近光柵的周期時(shí)，可以維持多個(gè)表面等離激元協(xié)助的傳輸共振。透射峰值和光柵的截止頻率都展現(xiàn)了明顯的溫度依賴關(guān)系。

2.2 約瑟夫森等離激元器件

銅氧化物高溫超導(dǎo)體大多具有層狀結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)層之間通過約瑟夫森效應(yīng)相互耦合。1992年Kleiner等人在Bi2Sr2CaCu2O8+δ單晶中首次觀測到這種約瑟夫森效應(yīng)，它也被稱為本征約瑟夫森效應(yīng)。在層狀結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體中，存在于超導(dǎo)體層間的電磁波模式被稱為約瑟夫森等離激元，其諧振頻率在太赫茲頻段。由于絕緣層的隔離，超導(dǎo)層中的正常態(tài)電子不能在垂直于超導(dǎo)層的方向上發(fā)生集體振蕩，因此，約瑟夫森等離激元響應(yīng)來源于層間隧穿的超導(dǎo)電子對(duì)的貢獻(xiàn)。由于約瑟夫森隧道電流(j)與層間相位(φ)滿足非線性關(guān)系j∝sinφ，所以約瑟夫森等離激元具有很強(qiáng)的非線性效應(yīng)，非常適合開發(fā)非線性器件。理論預(yù)言，非線性的約瑟夫森等離激元在約瑟夫森等離子體頻率以下也可以傳播，并會(huì)展現(xiàn)出自會(huì)聚、慢光等非線性效應(yīng)[54]。

同表面等離激元類似，表面約瑟夫森等離激元也可以在層狀超導(dǎo)體和電介質(zhì)的界面上傳播。由于波矢的不匹配，自由空間入射的電磁波不能直接激發(fā)表面約瑟夫森等離激元。采用原子力顯微鏡探針激發(fā)、全內(nèi)反射(total internal reflection)和周期性空間調(diào)制等方法，可以使入射電磁波獲得額外的波矢量，從而激發(fā)表面約瑟夫森等離激元[55]。

通過人工設(shè)計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的散射為表面等離子波提供縱向電場，可以激發(fā)約瑟夫森等離子諧振。2019年，加州大學(xué)圣地亞哥分校Schalch等人[56]將制備在柔性襯底上的開口諧振環(huán)陣列貼在高溫超導(dǎo)La2-xSrxCuO4單晶上，觀察到了開口諧振環(huán)的諧振模式與約瑟夫森等離激元諧振之間的強(qiáng)耦合作用。在測量得到的太赫茲反射譜中，觀察到由于強(qiáng)耦合而引起的免交叉現(xiàn)象，拉比頻率達(dá)到0.29。

2021年，南開大學(xué)季魯課題組和南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所合作，基于高質(zhì)量Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)薄膜開發(fā)了一種高溫超導(dǎo)太赫茲超材料[57]。在Tl-2212高溫超導(dǎo)超材料的太赫茲透射譜中，觀察到約瑟夫森等離激元諧振的光譜響應(yīng)，且諧振頻率隨溫度而變化，仿真結(jié)果表明亞波長諧振器的散射可以為諧振激勵(lì)提供z軸電場分量。此外，在實(shí)驗(yàn)中還測量了Tl-2212薄膜的太赫茲透射譜，超材料中約瑟夫森等離激元諧振頻率的溫度依賴性與純膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這一結(jié)果證明了超材料為激發(fā)約瑟夫森等離激元提供了新的路徑。

3 超導(dǎo)量子超材料

超導(dǎo)體具有宏觀的量子效應(yīng)。單結(jié)超導(dǎo)環(huán)，即射頻超導(dǎo)量子干涉儀(RF-SQUID)，由超導(dǎo)環(huán)和約瑟夫森結(jié)串聯(lián)組成。單結(jié)超導(dǎo)環(huán)和超材料的基本單元-開口諧振環(huán)，在結(jié)構(gòu)上有很多相似之處。RF-SQUID是一個(gè)宏觀的具有多個(gè)能級(jí)的量子系統(tǒng)，它具有磁通量子化和量子干涉等效應(yīng)。若將RF-SQUID組成周期性陣列，可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)超材料。清華大學(xué)的杜春光等人的理論工作表明，由SQUID構(gòu)成的超材料可以產(chǎn)生一些新的電磁現(xiàn)象，如量子電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency，簡稱EIT)現(xiàn)象、量子相干效應(yīng)、磁場誘導(dǎo)的非線性效應(yīng)等[58]。

2013年，美國馬里蘭大學(xué)Trepanier等人[30]設(shè)計(jì)制備了27×27個(gè)RF-SQUID陣列構(gòu)成的超導(dǎo)超材料，并在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了它在磁場、射頻電流和溫度下具有良好的調(diào)諧特性。利用SQUID對(duì)磁場的敏感特性，實(shí)現(xiàn)了諧振頻率在磁場下具有高達(dá)80 THz/G的調(diào)諧率。此外，在中等激勵(lì)功率下，觀測到EIT現(xiàn)象。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Ustinov課題組[59]制備了一種由54個(gè)SQUID一維陣列組成的超導(dǎo)超材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種超導(dǎo)超材料具有多穩(wěn)態(tài)，在中等功率范圍，它們可以在不同狀態(tài)之間切換，這些狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的磁導(dǎo)率。通過施加納秒長度的微波脈沖，可以實(shí)現(xiàn)超材料傳輸狀態(tài)的切換。

基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)可以構(gòu)建量子的二能級(jí)系統(tǒng)，即量子比特。超導(dǎo)量子比特被廣泛應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)的研究中，有望在未來為人類提供無與倫比的計(jì)算能力[60]。超導(dǎo)量子比特可以看作人工原子，這些人工原子組成的陣列就構(gòu)成了超導(dǎo)量子超材料。通過微波脈沖控制人工原子的能級(jí)躍遷，可以實(shí)現(xiàn)量子超材料電磁響應(yīng)的調(diào)控?；诹孔与妱?dòng)力學(xué)的研究，當(dāng)多個(gè)相同的量子比特與電磁場發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多有趣的現(xiàn)象。當(dāng)N個(gè)相同的量子比特與諧振腔發(fā)生集體耦合時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)N1/2倍的耦合增強(qiáng)。

2014年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Ustinov課題組[61]首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子超材料。如圖5所示的量子超材料中，包含了20個(gè)超導(dǎo)磁通量子比特，并嵌入到微波諧振器中。在實(shí)驗(yàn)中，觀察到由于八個(gè)量子比特的集體諧振耦合作用，導(dǎo)致諧振器的諧振頻率發(fā)生了色散偏移。盡管超導(dǎo)量子超材料取得了一定的突破，但是仍然面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，量子超材料中人工原子能級(jí)間隔的不一致性是限制其發(fā)展的主要難題。

圖5 (a) 超導(dǎo)諧振腔中20個(gè)超導(dǎo)量子比特構(gòu)成的量子超材料的電子顯微鏡圖片；(b) 量子比特和諧振器組成的系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)；(c) 諧振器在基模和前四次諧波處的透射系數(shù)[61] Fig. 5 (a) Electron microscopic image of a quantum metamaterial consisting of 20 superconducting qubits in a superconducting resonator; (b) Energy level structure of the system consisting of qubits and resonators; (c) Transmission coefficients of the resonator at the fundamental mode and the first four harmonics [61]

4 抗磁性超導(dǎo)超材料

超導(dǎo)體具有邁斯納效應(yīng)，即完全抗磁性。當(dāng)磁場強(qiáng)度低于臨界值時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場為零。利用超導(dǎo)材料的抗磁性可以實(shí)現(xiàn)磁屏蔽，但是這會(huì)導(dǎo)致外加磁力線發(fā)生扭曲，從而導(dǎo)致物體被探測到。2007年，英國帝國理工學(xué)院的Wood和Pendry[62]理論上提出采用超導(dǎo)超材料實(shí)現(xiàn)直流磁場下的隱身。由于超導(dǎo)材料在低頻下具有抗磁性，將其與具有順磁性的材料組合在一起，可以獲得可變、各向異性的磁導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)磁場隱身現(xiàn)象。2008年，Magnus等人[63]在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了具有直流磁響應(yīng)的超導(dǎo)超材料。他們將超導(dǎo)材料分成小的超導(dǎo)平板結(jié)構(gòu)，利用超導(dǎo)材料的抗磁性來實(shí)現(xiàn)磁響應(yīng)的調(diào)控。當(dāng)磁場方向與平板平行時(shí)，超導(dǎo)超材料抗磁性可以忽略不計(jì)。當(dāng)施加垂直方向的磁場時(shí)，則具有很強(qiáng)的抗磁響應(yīng)。通過改變平板尺寸與單元間距的比值，可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)超材料抗磁性的調(diào)節(jié)。

2012年，美國哈佛大學(xué)的Narayana等人[64]在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了直流磁場下的隱身。他們采用超導(dǎo)和軟鐵磁材料組成的人工結(jié)構(gòu)材料，構(gòu)造了磁場的隱身斗篷。測試結(jié)果表明，當(dāng)外加直流磁場時(shí)，超材料內(nèi)部的磁場完全屏蔽，而外部磁場保持不變。2012年，G?m?ry等人[65]采用了更為簡單的結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了直流磁場下的隱身。超材料包含了兩個(gè)共軸的圓柱體，內(nèi)部為多層超導(dǎo)帶材，外部為反鐵磁材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種鐵磁和超導(dǎo)材料的復(fù)合超材料可以實(shí)現(xiàn)直流的磁場隱身。

超導(dǎo)環(huán)內(nèi)部的磁通量是量子化的，它只能是磁通量量子Φ0=h/2e的整數(shù)倍。磁場量子化反映了超導(dǎo)體具有宏觀量子效應(yīng)。超導(dǎo)環(huán)外加磁場后，超導(dǎo)環(huán)中會(huì)產(chǎn)生屏蔽電流以補(bǔ)償磁通的變化，從而滿足磁通量子化條件。利用這種效應(yīng)，英國南安普頓大學(xué)Savinov等人[66]提出了如圖6所示的磁通排斥超導(dǎo)超材料。這種超導(dǎo)超材料由高溫超導(dǎo)薄膜制成，并采用了木刻結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)超材料從磁通排斥態(tài)進(jìn)入到磁通穿透態(tài)時(shí)，傳輸譜會(huì)發(fā)生顯著的變化。由于條件的限制，在實(shí)驗(yàn)中尚未觀察到由于磁通量子化引起的非線性電磁響應(yīng)?；诖磐孔踊某瑢?dǎo)超材料仍有待進(jìn)一步研究。

圖6 磁通排斥超導(dǎo)超材料[66]Fig. 6 Flux exclusion superconducting metamaterial [66]

5 超導(dǎo)超材料的應(yīng)用

超導(dǎo)超材料在科學(xué)研究和工程中有很多應(yīng)用。近年來，利用超材料這種經(jīng)典系統(tǒng)去模擬凝聚態(tài)系統(tǒng)中的量子現(xiàn)象和原子系統(tǒng)中量子光學(xué)現(xiàn)象引起了科研人員的廣泛興趣。超導(dǎo)超材料由于具有極低的損耗和良好的調(diào)諧特性，也被廣泛用于模擬多種量子現(xiàn)象，如EIT、宇稱-時(shí)間(parity-time，簡稱PT)對(duì)稱性相變等。利用超導(dǎo)超材料的高Q值，也可以用于實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的強(qiáng)耦合作用。另外，超導(dǎo)材料被廣泛用于制備高靈敏的探測器，將超導(dǎo)超材料與探測器相結(jié)合，可以構(gòu)造新型超導(dǎo)探測器。

5.1 超導(dǎo)超材料模擬量子現(xiàn)象

EIT效應(yīng)是存在于三能級(jí)原子系統(tǒng)中的一種量子干涉效應(yīng)，使得原本不透明的介質(zhì)上出現(xiàn)了窄帶的透明窗口。近年來，超材料等經(jīng)典系統(tǒng)也用來模擬EIT效應(yīng)。具有類EIT響應(yīng)的超材料在透明窗口附近有劇烈的色散，并具有顯著的慢光效果，在光存儲(chǔ)、通信、生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。超材料的損耗是限制慢光效果的關(guān)鍵因素。此外，具有可調(diào)EIT響應(yīng)的超材料為電磁波的調(diào)控提供了一條有效路徑。因此，具有低損耗和可調(diào)諧特性的超導(dǎo)材料非常適合開發(fā)具有類EIT響應(yīng)的超材料。

2011年，美國馬里蘭大學(xué)Kurter等人[67]制作了微波段的金屬-超導(dǎo)復(fù)合超材料，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的類EIT效應(yīng)。利用低損耗的超導(dǎo)諧振器與高損耗的金屬諧振器之間的弱耦合作用，獲得了具有劇烈色散的透明窗口和高達(dá)0.3的群延遲-帶寬積。

2011年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所[68]采用超導(dǎo)NbN薄膜設(shè)計(jì)制備了平面太赫茲超材料，實(shí)現(xiàn)了EIT效應(yīng)的模擬。在超導(dǎo)狀態(tài)下，由于耦合增強(qiáng)和損耗減小，在透明窗口實(shí)現(xiàn)了高透射率和大的群延遲-帶寬積。此外，通過兩個(gè)諧振頻率不同的暗諧振器與明諧振器耦合，實(shí)現(xiàn)了具有兩個(gè)慢光窗口的類EIT效應(yīng)。利用超導(dǎo)薄膜的電導(dǎo)率隨溫度會(huì)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了類EIT響應(yīng)的頻譜調(diào)諧。2013年，該課題組對(duì)全超導(dǎo)超材料和超導(dǎo)-金屬復(fù)合超材料的EIT響應(yīng)進(jìn)行了比較[69]。由于全超導(dǎo)超材料單元內(nèi)兩個(gè)諧振器極低的歐姆損耗和強(qiáng)相互耦合作用，與復(fù)合超材料相比具有更好的慢光效果。近年來，該課題組在具有Fano諧振和環(huán)形偶極子諧振的超導(dǎo)超材料也觀察到了溫度調(diào)諧的慢光效應(yīng)[70]。通過施加電流，可以改變超導(dǎo)諧振器的損耗特性，從而實(shí)現(xiàn)EIT響應(yīng)的電調(diào)控[71]。

PT對(duì)稱哈密頓量描述了一類服從宇稱變換和時(shí)間反演變換下的對(duì)稱性要求的非厄米量子系統(tǒng)。由異常點(diǎn)分隔的自發(fā)PT對(duì)稱性破缺現(xiàn)象已經(jīng)在多種光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中得到證明。超材料也被廣泛用于PT對(duì)稱性的研究中。為了能夠連續(xù)地通過異常點(diǎn)實(shí)現(xiàn)PT相變的動(dòng)態(tài)過渡，可以在PT對(duì)稱超材料中引入超導(dǎo)材料。2017年，天津大學(xué)韓家廣課題組與南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所合作，通過實(shí)驗(yàn)在金屬-超導(dǎo)復(fù)合超表面上觀察到了PT對(duì)稱性相變的動(dòng)態(tài)過程[72]。超表面單元由金屬諧振器和超導(dǎo)NbN諧振器組成，且存在一定的耦合作用。超導(dǎo)薄膜電導(dǎo)率隨著溫度的變化，超導(dǎo)諧振器的參數(shù)也發(fā)生改變，從而導(dǎo)致PT對(duì)稱相變的產(chǎn)生。超導(dǎo)超材料為研究PT對(duì)稱性相變提供了一種可行的方法。

5.2 超導(dǎo)超材料用于增強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用

諧振腔中光與物質(zhì)相互作用是量子光學(xué)的核心，也是多種量子技術(shù)，如激光器、量子計(jì)算機(jī)的核心。在微波和太赫茲波段，利用超導(dǎo)諧振器的低損耗特性，有助于觀測和調(diào)控光與物質(zhì)耦合產(chǎn)生的極化激元。超導(dǎo)超材料由于具有較高的Q值，可以用于光與物質(zhì)的相互作用研究。在太赫茲頻段，超表面與二維電子氣中的回旋共振的強(qiáng)耦合作用受到了廣泛的關(guān)注。超導(dǎo)超表面在太赫茲頻段具有極低的損耗，非常適合太赫茲波與物質(zhì)相互作用的研究。

2014年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Scalari等人[73]采用超導(dǎo)Nb膜在GaAs二維電子氣上制備了超導(dǎo)超表面，觀察到了如圖7所示的強(qiáng)耦合作用。隨著磁場強(qiáng)度的增加，二維電子氣中的回旋共振頻率逐漸升高，即朗道能級(jí)的間隔逐漸增加。由于超導(dǎo)超表面與朗道能級(jí)躍遷的超強(qiáng)耦合作用，當(dāng)超導(dǎo)諧振器的諧振頻率接近朗道能級(jí)頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)免交叉現(xiàn)象，歸一化耦合系數(shù)達(dá)到0.27。基于有限元模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互吻合。2018年，該課題組又采用YBCO薄膜制備了太赫茲超表面，并開發(fā)兩種技術(shù)將超表面器件貼近含有二維電子氣的異質(zhì)結(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)超表面與回旋躍遷的超強(qiáng)耦合作用[74]。

圖7 (a) 在二維電子氣上制備的超導(dǎo)Nb超表面的樣品的電子顯微鏡圖片；二維電子氣上超導(dǎo)超表面隨磁場變化的傳輸譜的測試結(jié)果(b)和仿真結(jié)果(c) [72] Fig. 7 (a) Electron microscopic image of superconducting Nb，metasurface fabricated on a two-dimensional electron gas. Experimental (b) and simulated (c) terahertz transmission spectra of the superconducting metasurface on two-dimensional electron gas as a function of magnetic field [72]

5.3 基于超材料的超導(dǎo)探測器

超導(dǎo)材料非常適合制作高靈敏的超導(dǎo)探測器。通常探測器需要額外的接收天線，用于捕獲和聚集電磁波?；诔瑢?dǎo)超材料可以實(shí)現(xiàn)能量收集裝置與檢測單元集成的超導(dǎo)探測器。2013年，南安普頓大學(xué)Zheludev課題組[75]基于超導(dǎo)超材料，開發(fā)了一種新型毫米波超導(dǎo)探測器。該探測器包含一個(gè)二維陣列且相互連接的超材料諧振器，利用激發(fā)集體模式收集入射波，并將入射波的熱量導(dǎo)入到熱點(diǎn)上。利用熱點(diǎn)溫度變化引起的電阻變化，實(shí)現(xiàn)電磁輻射的檢測。這種探測器可以將輻射能量收集、頻譜選擇和檢測功能集成在一起。盡管該探測器與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣結(jié)相比在靈敏度等方面尚存在較大的差距，但是為大規(guī)模超導(dǎo)成像陣列的開發(fā)提供了新的思路。

6 總結(jié)

超導(dǎo)材料由于其獨(dú)特的優(yōu)勢在超材料的研究和應(yīng)用中發(fā)揮了巨大的作用。低損耗的超導(dǎo)超材料可以用于開發(fā)高Q值的太赫茲超材料，并可以用于增強(qiáng)太赫茲波與物質(zhì)的相互作用。超導(dǎo)超材料的調(diào)諧特性可以用于實(shí)現(xiàn)電磁波的主動(dòng)調(diào)控。超導(dǎo)材料非常適合毫米波和太赫茲頻段等離激元器件的開發(fā)。利用超導(dǎo)材料的抗磁性和宏觀量子效應(yīng)可以開發(fā)新型的超材料。超導(dǎo)超材料也有其自身的缺點(diǎn)，比如受制于低溫條件、需要高質(zhì)量的薄膜和器件制備工藝，這制約了超導(dǎo)超材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。隨著制備工藝和低溫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來超導(dǎo)超材料有著更廣闊的發(fā)展空間。

在超導(dǎo)超材料的研究中，還有很多問題值得進(jìn)一步的探索和研究。第一，非線性和時(shí)變超導(dǎo)超材料的開發(fā)?；诩s瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)超材料具有很強(qiáng)的非線性效應(yīng)，可以用于開發(fā)新型的非線性器件。在強(qiáng)場太赫茲脈沖或光脈沖的激勵(lì)下，超導(dǎo)態(tài)的切換時(shí)間在皮秒量級(jí)，非常適合開發(fā)具有時(shí)變特性的超材料。在此基礎(chǔ)上，有望開發(fā)出具有非互易、頻率轉(zhuǎn)換等特性的新型電磁器件。第二，量子超材料是目前量子技術(shù)的熱點(diǎn)問題。量子超材料相比傳統(tǒng)超材料有很多不可比擬的優(yōu)勢，并在量子計(jì)算和量子信息領(lǐng)域有望發(fā)揮巨大的作用。第三，面向應(yīng)用的超導(dǎo)超材料系統(tǒng)開發(fā)。超導(dǎo)器件在量子計(jì)算、太赫茲天文等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。在這些應(yīng)用中，超導(dǎo)超材料具有多自由度的電磁波調(diào)控能力和緊湊的體積，在提高系統(tǒng)性能、集成度等方面有較大的潛力。