近日，北京大学物理学院王楠林教授、董涛副研究员课题组与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心汪信波副研究员等合作，依托国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置”（SECUF），在强无序超导体的太赫兹非线性响应研究中取得重要突破。研究团队利用联合研发的极端条件太赫兹高次谐波测量系统，揭示了强无序氮化铌（NbN）薄膜中正常态电子与超导态Higgs模之间的耦合与量子干涉效应。相关成果以“Anomalous terahertz nonlinearity in disordered s-wave superconductor close to the superconductor-insulator transition”为题，作为推荐文章（Editors’ Suggestion）发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

超导不仅表现为具有能隙的单粒子激发，还存在与序参量振幅涨落相关的集体激发模式（即Higgs模）。近年来，随着强场太赫兹技术的发展，该模式已在多种超导体系中被成功探测。根据Anderson定理，常规s波超导体对非磁性杂质通常不敏感，但极高浓度的无序会导致Anderson局域化，进而引发超导-绝缘体转变（SIT）。在接近SIT的强无序区域，正常态与超导态非线性响应之间的关系及其物理起源一直缺乏清晰图像。前期，研究团队在0.42 THz强场驱动下，对不同无序度的NbN超导薄膜进行了三次谐波（THG）响应测量。实验发现，在接近SIT的强无序样品中，THG信号在超导临界温度以上依然清晰可测，呈现出独特的“穹顶型”无序依赖关系。

图1：强无序样品中反常的正常态THG信号及弱无序样品的共振现象

进一步探究上述反常信号的微观物理机制，亟需开展系统的磁场调控实验。为此，课题组依托SECUF太赫兹光谱实验单元，与汪信波副研究员合作，联合搭建了具有国际先进水平的“磁场下太赫兹高次谐波测量系统”，将桌面激光器驱动的强场太赫兹源与超导磁体结合，实现了低温（1.5 K）与强磁场（10 T）的极端测量环境，且太赫兹单脉冲峰值场强可达500 kV/cm。依托该装置，研究团队取得关键发现：在Tc以上施加足以完全抑制宏观超导相干的强磁场，正常态THG信号依然稳定存在，排除了反常信号源于超导涨落的假说，证明强无序在正常态中引入了显著的本征非线性响应。此外，团队对正常金属Au薄膜的对照实验同样观察到THG呈现出“穹顶型”的无序依赖关系，进一步证实可无序增强三阶非线性响应的普适性。

‍图2：依托SECUF太赫兹光谱实验单元研制的磁场下太赫兹高次谐波探测平台

更为奇特的是，磁场演化数据进一步揭示了超导态下复杂的量子干涉效应。进入超导态后，正常态非线性响应与Higgs模发生强烈耦合，THG时域波形出现明显的拍频现象，频域上呈现展宽的多峰结构。这表明无序度不同的“超导畴”构成了多个非线性产生通道，并在此过程中发生了量子干涉。该研究为理解强无序超导体中集体模式与电子非线性动力学之间的相互作用提供了关键实验证据。

图3：强无序样品在磁场下的静态电导率（a-b）以及磁场下THG实验结果（c-e）。（f）多通道量子干涉的超导畴物理机制示意图。

北京大学物理学院博士生王豪为论文第一作者；北京大学王楠林教授（现任教于上海交通大学）、董涛副研究员（现任教于上海交通大学），以及中国科学院物理研究所汪信波副研究员为论文共同通讯作者。无序NbN薄膜由南京大学贾小氢教授课题组提供，Au薄膜对照样品由物理所宋小会副研究员提供，无序度调控由物理所李洋沐特聘研究员、金魁研究员等协助完成。

该研究所依托的核心测试设备（磁场下太赫兹高次谐波测量系统）的研发成果，已发表于《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）。上述物理发现与仪器研制工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置”（SECUF）的大力支持。

相关文章链接：

1.Anomalous terahertz nonlinearity in disordered s-wave superconductor close to the superconductor-insulator transition, Physical Review Letters 136, 146004 (2026).   https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t5wx-z86b

2.Table-top laser-based terahertz high harmonic generation spectroscopy under magnetic fields and low temperatures, Rev. Sci. Instrum. 95, 103007 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0215129