Recently reported metamaterial analogues of electromagnetically induced transparency enable a unique route to endow classical optical structures with aspects of quantum optical systems. This method opens up many fascinating prospects on novel optical components, such as slow light units, highly sensitive sensors and nonlinear devices. In particular, optical control of electromagnetically induced transparency in metamaterials promises essential application opportunities in optical networks and terahertz communications. Here we present active optical control of metamaterial-induced transparency through active tuning of the dark mode. By integrating photoconductive silicon into the metamaterial unit cell, a giant switching of the transparency window occurs under excitation of ultrafast optical pulses, allowing for an optically tunable group delay of the terahertz light. This work opens up the possibility for designing novel chip-scale ultrafast devices that would find utility in optical buffering and terahertz active filtering. Metamaterial analogues of electromagnetically-induced transparency provide interesting optical components and applications. By actively tuning the dark mode of a metamaterial, Guet al. optically control its electromagnetically-induced transparency, showing tunable group delay of terahertz light.

By combining the freedom of both the structural design and the orientation of split ring resonator antennas, we demonstrate terahertz metasurfaces that are capable of controlling both the phase and amplitude profiles over a very broad bandwidth. As an example, we show that the phase-amplitude metasurfaces can be engineered to control the diffraction orders arbitrarily.

High quality factor resonances are extremely promising for designing ultra-sensitive refractive index label-free sensors since it allows intense interaction between electromagnetic waves and the analyte material. Metamaterial and plasmonic sensing has recently attracted a lot of attention due to subwavelength confinement of electromagnetic fields in the resonant structures. However, the excitation of high quality factor resonances in these systems has been a challenge. We excite an order of magnitude higher quality factor resonances in planar terahertz metamaterials that we exploit for ultrasensitive sensing. The low-loss quadrupole and Fano resonances with extremely narrow linewidths enable us to measure the minute spectral shift caused due to the smallest change in the refractive index of the surrounding media. We achieve sensitivity levels of 7.75 x 10^3 nm/ RIU with quadrupole and 5.7 x 10^4 nm/ RIU with the Fano resonances which could be further enhanced by using thinner substrates. These findings would facilitate the design of ultrasensitive real time chemical and biomolecular sensors in the fingerprint region of the terahertz regime.

The limiting effects of varying the thickness of a dielectric overlayer on planar double split-ring resonator (SRR) arrays are studied by terahertz time-domain spectroscopy. Uniform dielectric overlayers from 100 nm to 16 mum thick are deposited onto fixed SRR arrays in order to shift the resonance frequency of the electric response. We discuss the bounds of resonance shifting and emphasize the resulting limitations for SRR-based sensing. These results are presented in the context of typical biosensing situations and are compared to previous work and other existing sensing platforms.

Planar metasurfaces and plasmonic resonators have shown great promise for sensing applications across the electromagnetic domain ranging from the microwaves to the optical frequencies. However, these sensors suffer from lower figure of merit and sensitivity due to the radiative and the non-radiative loss channels in the plasmonic metamaterial systems. We demonstrate a metamaterial absorber based ultrasensitive sensing scheme at the terahertz frequencies with significantly enhanced sensitivity and an order of magnitude higher figure of merit compared to planar metasurfaces. Magnetic and electric resonant field enhancement in the impedance matched absorber cavity enables stronger interaction with the dielectric analyte. This finding opens up opportunities for perfect metamaterial absorbers to be applied as efficient sensors in the finger print region of the electromagnetic spectrum with several organic, explosive, and bio-molecules that have unique spectral signature at the terahertz frequencies.

Metamaterials based on effective media can be used to produce a number of unusual physical properties (for example, negative refraction and invisibility cloaking) because they can be tailored with effective medium parameters that do not occur in nature. Recently, the use of coding metamaterials has been suggested for the control of electromagnetic waves through the design of coding sequences using digital elements '0' and '1,' which possess opposite phase responses. Here we propose the concept of an anisotropic coding metamaterial in which the coding behaviors in different directions are dependent on the polarization status of the electromagnetic waves. We experimentally demonstrate an ultrathin and flexible polarization-controlled anisotropic coding metasurface that functions in the terahertz regime using specially designed coding elements. By encoding the elements with elaborately designed coding sequences (both 1-bit and 2-bit sequences), the x- and y-polarized waves can be anomalously reflected or independently diffused in three dimensions. The simulated far-field scattering patterns and near-field distributions are presented to illustrate the dual-functional performance of the encoded metasurface, and the results are consistent with the measured results. We further demonstrate the ability of the anisotropic coding metasurfaces to generate a beam splitter and realize simultaneous anomalous reflections and polarization conversions, thus providing powerful control of differently polarized electromagnetic waves. The proposed method enables versatile beam behaviors under orthogonal polarizations using a single metasurface and has the potential for use in the development of interesting terahertz devices.

We demonstrate the design, characterization, and interference-theory interpretation of a terahertz triple-band metamaterial absorber (MA). The experiments show that the fabricated MA has three distinctive absorption peaks at 0.5, 1.03, and 1.71 THz with absorption rates of 96.4%, 96.3%, and 96.7%, respectively. We use the multi-reflection interference theory to investigate the physical insight of the proposed triple-band terahertz MA, which provides a design guideline for MA of such type. The theoretical predictions of the interference model have excellent agreements with experimental results. The designed multiband absorber is easy to manufacture and insensitive to incident polarizations with high absorption, which is favorable for various applications.

The far-infrared absorption and index of refraction of high-resistivity, float-zone, crystalline silicon has been measured by terahertz time-domain spectroscopy. The measured new upper limit for the absorption of this most transparent dielectric material in the far infrared shows unprecedented transparency over the range from 0.5 to 2.5 THz and a well-resolved absorption feature at 3.6 THz. The index of refraction shows remarkably little dispersion, changing by only 0.0001 over the range from 0.5 to 4.5 THz.

We report on the occurrence of sharp Fano resonances in planar terahertz metamaterials by introducing a weak asymmetry in a two gap split ring resonator. As the structural symmetry of the metamaterial is broken a Fano resonance evolves in the low-frequency flank of the symmetric fundamental dipole mode resonance. This Fano resonance can have much higher Q factors than that known from single gap split ring resonators. Supporting simulations indicate a Q factor of 50 for lowest degree of asymmetry. The Q factor decreases exponentially with increasing asymmetry. Hence, minute structural variations allow for a tuning of the Fano resonance. Such sharp resonances could be exploited for biochemical sensing. Besides, the strong current oscillations excited at the Fano resonance frequency could lead to the design of novel terahertz narrow band emitters.

Terahertz time domain spectroscopy and rigorous simulations are used to probe the coupling between a dark and a bright plasmonic eigenmode in a metamaterial with broken symmetry. The metamaterial consists of two closely spaced split ring resonators that have their gaps in nonidentical positions within the ring. For normal incidence and a fixed polarization both lowest-order eigenmodes of the split ring resonators can be excited, although one of them has to be regarded as dark since coupling is prohibited because of symmetry constraints. Emphasis in this work is put on a systematic evaluation of the coupling effects depending on a spectral tuning of both resonances.