2015-09-17

レーザーを使ってテラヘルツ波実用化に挑む

電波と光のあいだ

 「テラヘルツ波」という言葉をご存知でしょうか? 携帯電話などで使われる電波と同じ電磁波の一種ですが、波の間隔がわずか0.1~1ミリと、携帯電話で使われる電波の千分の1ほどしかなく、電波と光の両方の性質を備えている不思議な電波です。波の間隔が短いため、大量の情報を運ぶことができ、超高速・大容量無線通信に向いています。またX線のように物質を透過する能力を活かせば爆発物や有毒ガス、兵器などの迅速な検知、人体に安全な3D医療用画像診断や、新しい分光技術を開発することもできます。夢のような性質を持つこのテラヘルツ波を社会に応用することができれば、サイエンスフィクションの世界にまた一歩近づくかもしれません。しかし、現段階ではテラヘルツ波を利用した機器の実用化には険しい課題があります。

 テラヘルツ帯の電磁波を実用化する機器の開発がこれまで遅れていたため、この特定の領域には「テラヘルツ・ギャップ(未開拓電磁波領域)」という異名が付いています。沖縄科学技術大学院大学(OIST)のケシャブ・ダニ准教授率いるフェムト秒分光法ユニットでは、テラヘルツ波の応用を後押しする方法の1つとして、テラヘルツ波の放射率の向上の研究が進められています。ガリウムヒ素(GaAs)と呼ばれる半導体素材を用いるとテラヘルツ波放射の効率性を高めることができるのです。

 テラヘルツ波は水に吸収されやすいため、水蒸気を多く含む地球環境では、テラヘルツ波放射器の使用は近距離でのものに限られます。一方で、テラヘルツ波には透過性があり、布や紙、段ボール、プラスチック、木、陶器などの物質を通り抜けることができます。私たちヒトにも個人を特徴づける指紋があるように、多くの物質には「指紋スペクトル」という物質特有の波長領域があります。物質にテラヘルツ波を通過させると、この特定の領域で光が吸収され弱まります。この部分を「指紋スペクトル」と呼びますが、指紋スペクトルは物質によって特徴が異なるため、テラヘルツ波を対象物に照射すれば、その物質の構造や特性を容易に解析することができます。さらに、テラヘルツ波は非電離放射線(物質の原子を分離させない放射線)であるため、X線や紫外線とは異なり、生体組織やDNAに悪影響を与えない安全な電磁波です。よって、テラヘルツ波を用いた技術の用途は今後、医療やセキュリティー、化学、IT(情報技術)といった分野で躍進を遂げると期待されています。

レーザーでテラヘルツ波を生み出す

 一方で、テラヘルツ波を発生させるのは容易ではありません。テラヘルツ波は、電波としては周波数が高すぎるため、従来の電波送信器は発生できません。逆に、光として放射させるには光エネルギーが小さすぎるため、大半のレーザーでも不可能です。この問題を解決するためには、テラヘルツ波に特化した画期的な放射器を開発しなくてはなりません。

 既存のテラヘルツ波の放射器に最もよく用いられるのが光伝導アンテナです。光伝導アンテナの構造は、2つの電気接触点の間に薄いフィルム状の半導体が設置されています。半導体素材には一般的にガリウムヒ素(GaAs)が使われます。レーザーから放射される超短パルス(発光の時間間隔が非常に短いパルス)が光伝導アンテナに触れると、光から放出される光子が半導体素材に存在する電子を励起し、強くて短いパルスのテラヘルツ波が大量に発生します。これが、レーザー光線のエネルギーからテラヘルツ電磁波を発生させる原理です。

テラヘルツ波を閉じ込める溝

 OISTの研究グループは、半導体表面の微細構造が強力なテラヘルツ波を発生させる上で重要な役割を果たしていることを示しました。強力な超短パルスレーザーを半導体表面に照射すると、ガリウムヒ素の表面層にミクロレベルの溝や波紋が残ります。これはフェムト秒レーザーアブレーション(融除)と呼ばれている技術です。OISTのアタナシオス・マリオラキス特別研究学生は、「材料の表面にできた溝に光を閉じ込めることができます」と説明します。表面が粗い素材はより多くの光を捉えることができるため、ここに十分な強度のレーザー光を照射すればテラヘルツ波の放射率を65パーセントも向上させることができます。この新しい方法を従来のテラヘルツ波放射器に適用すれば、テラヘルツ波の実用化が大きく前進するかもしれません。

 フェムト秒レーザーアブレーションにより、他の特性も変化します。例えば、物質の電気伝導性です。表面にアブレーションを施したガリウムヒ素の電流量は、何も手を加えていない状態のわずか3分の1です。研究チームによると、一般的には、光電流量が多いほどテラヘルツ波の放射率も高いと考えられていますが、今回の研究では、「直観に反する現象」が見られました。電子は外部から光子などのエネルギーを受けると励起状態になり、外部からのエネルギー放射が止むと元の状態に戻ります。励起した電子が元の状態に戻るまでの時間をキャリア寿命と呼んでいます。アブレーションを施した半導体の電流量が小さいのは、このキャリア寿命が短くなるためだと研究チームは説明しています。

 「フェムト秒レーザーアブレーションを使えば、物質本来の性質を向上させたり改善したりすることができます」と、同じ研究チームのジュリアン・マデオ研究員は言います。同研究員によると、例えば、光子の吸収率を100パーセントまで引き上げたり、吸収可能な周波数帯域の幅を広げたりすることもできて、電子濃度や寿命の制御も可能になるそうです。フェムト秒レーザーアブレーションの手法を用いれば、既存の方法よりも素早く低コストでテラヘルツ波の応用に向けた素材を作ることが可能になります。今回のOISTによる研究成果によって、テラヘルツ波の用途が拡大されることが期待されます。

(ガルノヴァ・オリガ)

広報や取材に関して:media@oist.jp

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