テラヘルツ研究は何ができるか

 

 

国立情報学研究所（千代田区一ツ橋）の市民講座「情報学最前線」の5回目が23日、学術総合センターで開催された。同研量子情報国際研究センターのメンバーで東京大学生産技術研究所教授の平川一彦氏が「テラヘルツ電磁波の新展開―遠赤外線はコーヒー豆を煎るだけではない―」と題して講演した。

 

・テラヘルツ電磁波はほとんどなじみのない単語だ。ちらほら出始めたのは20年くらい前。しかし今も未開発の電磁波といわれている。この20年くらいでどういうことができるようになったのか、これから先どういうところに進んでいく可能性があるか。

・テラは10の12乗を表す接頭語。すなわち1兆。ヘルツは周波数の単位。テラヘルツは10の12乗ヘルツを意味する。電磁波とは電波や光を包含する広い概念だ。

・これまでエレクトロニクスであまり使われてこなかった100ghzで、上は100テラヘルツ（thz）以下の間。昔は遠赤外線とかサブミリ波と呼ばれていた。何となく新しい感じがするが、もともとある電磁波の領域だ。

・遠赤外線と聞かれてピンとくるのはコーヒーの焙煎。炭火には遠赤外線効果により食物の成分、性質を壊さずに、芯までじっくりと焼き上げる特性がある。

・もう一つは石焼き芋。熱せられた石から放射される遠赤外線（黒体輻射）で芋が焼ける。めらめら炎を焼かれているわけではなく、熱くなった石の上に芋が置かれている。石から遠赤外線が出ていて、それが芋の表面で吸収されて焼ける。

・水による遠赤外線の吸収は非常に大きく、表面から100ミクロン（0.1ミリ）程度の深さにまでしか遠赤外線は入っていかない。表面の薄皮1枚しか焼けない。ほっこり焼けるのは複雑な物理がある。熱伝導を繰り返しながら中まで焼ける。奥が深い。

・コーヒーと石焼き芋しか応用がない。それはテラヘルツが半導体が最も苦手とする周波数帯になっているから。

・マイクロ波は携帯電話で使っている周波数。トランジスターというすぐれたデバイスがある。半導体が得意としている。これをどんどん早くしていけばテラヘルツにいくじゃないかというが、これはなかなか難しい。

・光デバイスは半導体レーザー、光通信などが密に使われている。これをもっと低い周波数に行けばいいじゃないか。これも難しい。

・テラヘルツ電磁波はプロの研究者というかそれを仕事にしている研究者やお宅っぽい「特殊な電磁波」と考えられてきたが、もっと多くの人が恩恵を受ける「普通の電磁波」にもっていけないかという研究がこの20年くらい進められている。

・テラヘルツ電磁波の特徴。テラヘルツの周波数を持っている。波が振動する時間が非常に早い時間で振動する。波長が長く、透過性がある。光の粒の電磁波が持っている小さな光子エネルギーを持っている。

・物質固有の吸収。糖尿病の分子構造。

・「早い」ことを利用して通信への応用が考えられている。有線や無線通信には向かない。大気の中で吸収されるために減衰する。これを生かして行っているのが情報キオスク。駅の改札でスイカ、パスモを使っているが、その1秒の時間を使って映画1本くらいの情報をダウンロードできる超近距離高速データ通信を可能にする研究がどんどん進んでいる。

・衣服などを通して見ることができる。両手を挙げて壁が一周する保安検査が行われている。テラヘルツの電磁波を使ってイメージングを行っている。衣服の下に何かを隠していればそれが上から見える。

・黒体輻射。宇宙の中では光が満ち満ちている。宇宙に存在する光子の98％はわれわれの目には見えないテラヘルツ領域のものだ。宇宙物理の研究や波長の短い暗視装置を作れる。身体の出す黒体輻射を像にすると人の存在を指摘できるし、災害現場でサーモグラフィーを使って体温があるかどうかを判断する。災害救助にも使える。

・乳がんの検査もテラヘルツで可能。がんの部分は細胞が増殖中で、そこだけ体温が高い。熱の分布を見ることでここががんかもしれないと分かることが最近知られている。

・今後30年、40年でどんな進展があるか。応用物理学会で調べた。エレクトロニクスの王道だと思う情報通信に加え、セキュリティー応用、物質科学・創薬、生体・医療、農業・工業、エネルギー・環境・宇宙・・など。

・いままでエレクトロニクスがそれほど得意としてこなかったところをカバーできる可能性を秘めている。テラヘルツはこれまでエレクトロニクスが守備範囲としてこなかった分野をカバーする新しい可能性を持っている。