- テラヘルツ波
- テラヘルツ波は周波数が1THz（テラヘルツ）前後の電磁波で、「電波」であるサブミリ波と「光」の一種である赤外線の中間の領域にあたる。
- 光の持つ空間分解能力と電波が持つ物質透過能力を併せ持つ。
- 光と電波の性質を併せ持つ電磁波の一種。
- 化学物質に当てると、その物質固有の波長が吸収される『指紋スペクトル』という特徴がある。
- テラヘルツ波は細胞や生体分子を振動させる。
- 金属と水以外の物質を透過する。
- 東北大学電気通信研究所の伊藤弘昌教授らの研究グループは周波数が１テラ(１兆ヘルツ)前後の電磁波を発生することに成功した。
特殊な結晶にレーザー光を当てることで、波長と波面のそろったコヒーレントなテラヘルツ波を発生した。波長は連続的に変える事が出来、装置も小型で済む。大容量の光通信や高分解能レーダー・医学・バイオ分野などの応用が期待出来るという。２０日に開く応用物理学会東北支部大会で発表する。
テラヘルツ波は波長が100～105ミクロン程度とマイクロ波などより短く、赤外線に近い領域の電磁波
- 光波と電波の両方の性質を持つ
- 「ナノテクノロジー分野でテラヘルツ光の応用が始まっている。
テラヘルツ光とは周波数が約１００ﾃﾗ（テラ＝１兆）～１００ｷﾞｶﾞ（ギガ＝１０億）、波長にして１ﾏｲｸﾛ（ﾏｲｸﾛ＝１/100万）～３mmの電磁波をいう。
この光は発生と検出が困難なため、これまで電波天文学などの一部の学問分野に限られていた。しかし、フェムト秒レーザーなどの高瀬能レーザーを使った高出力放射法や、半導体量子素子による超高感度検出器の開発などが進み、産業応用が可能になった。
物質の分光や画像化などの計測技術分野で実用化が最も期待されている。微弱なテラヘルツ光の量子エネルギーは、あらゆる分子の振動や回転、ほとんどの固体の格子振動や半導体の不純物準位の共鳴エネルギーといった基本物性に対応する。
医薬品の低分子有機化合物に対しては、分子構造や結晶構造に応じてテラヘルツ吸収スペクトルが顕著に現れる。スペクトルから構造が推測できれば、従来のＸ線解析などを使う分析手法よりも簡便な計測法としての可能性がある。
電波の透過性を生かせば、郵便物の中の禁止薬物などを非破壊検査でき、テロ・犯罪取り締まりに有効と期待されている。
このほかにも、ＤＮＡ二重鎖の解析、植物や食品中の水分検査、半導体ウエファーの電子と正孔（プラス電荷）の密度分析など裾野は広い（大澤秀一・大和総研主任研究員）
- ○○社は電波と可視光の中間に位置する「テラへスル光」をパルス状に発生させる小型機を試作した。光の吸収率の違いで物質を特定できる装置。ある幅の周波数の光を照射すると、物質の分子振動と同じ周波数の光は吸収されてしまう。
- Ｘ線より幅広い物質に対応できる
- シリコンウエハーを透過しやすいので、半導体の検査に使える
- 空港でカバンに入った麻薬・爆発物などを検査できる
- 生体内の状態で測定
- 2007年、キャノンと理化学研究所は電波と光の中間の電磁波である[テラヘルツ光]を使い、タンパク質やＤＮＡを生体内にある時と同様の姿で測定できる技術を開発した。
テラヘルツ光は周波数が1ﾃﾗ（ﾃﾗ＝1兆）ﾍﾙﾂレベルの電磁波。化学物質に照射すると、その物質固有の波長が吸収される『指紋スペクトル』という特徴がある。
爆発物検査などで応用が進んでいる。今回開発した技術は、直径0.8ﾏｲｸﾛ㍍の微少な穴が開いた厚さ145ﾏｲｸﾛ㍍の高分子膜を金属板などで挟んだ部品を使う。
タンパク質やＤＮＡなど生体分子を含んだ溶液を垂らすと、高分子膜で分布が一様になる。適度に水分を除いてテラヘルツ光を当てると、数ﾏｲｸﾛ㌘のサンプル量でそのままの構造を調べられる
- 封筒内を開封せずに調べる
- 理化学研究所の川瀬晃道(38)は、封筒の中の爆発物や麻薬などを開封せずに調べられる特殊な光「テラヘルツ光」の研究で脚光を浴びている。
研究のキッカケは17年前。京都大学4年生のころ、超伝導などで有名なフレーリッヒの「細胞今区は水晶振動子のように共鳴している」という論文を読み、頭から離れなくなった。体内のタンパク質が共鳴振動を使って無数の物質の中から反応する相手を見つけるという大胆な仮説に惹かれた。
そんなとき、発明家で「京都のエジソン」とも呼ばれる父親の何気ない一言を耳にした。「生体の中にサブミリ波が寄与するものがあるんじゃないか？」。これはフレーリッヒの仮説と関係するかもしれない。
細胞の共鳴振動はどの波長で起きているのかが分からない。それを調べるには、広い帯域でテラヘルツ光を出せる光源が必要になる。光源を作るためサブミリ波の研究で有名な東北大学の研究室に移ったが、待っていたのは「思い返すとゾッとする日々だった」
光源として使える物質を探す実験を繰り返しても全く見つからない。助言をもらえる研究者もいない。博士課程１年から４年の8月まで実験は全く成功せず、データも取れなかった。
指導教員から2時間以上も説教を受けることも多く「やめてしまおうか」と思うことも何度かあった。学生結婚をしていたので踏みとどまったが生活費は年間100万円しかなく、苦しい日々が続いた。
何とか糸口を見つけようと条件を見直した。そんなある日、頼りにしていた化学データ集の記述に間違いがあるのを発見。修正して実験を重ねるうちに、ようやくデータがとれるようになった。「サイエンスの基本はデータをとれる喜び」とかみしめる。
「天才肌の父を見ていたため堅実になった」という川瀬だが一度、大勝負に出た。東北大で博士号を取得して、東北学院大学で講師をしていたころ、東北大の恩師、伊藤弘昌教授を中心に理研がテラヘルツ光の研究を始めることを知った。「この研究を立ち上げたのは自分だ」という自負心が、妻に土下座してポスドクの研究員として理研に移る決意をさせた。
波長０.５～３ﾃﾗﾍﾙﾂの光を化学物質に照射した際の吸収波長は化学物質の種類によって異なる。この性質を『指紋スペクトル』と呼ぶ。封筒の中にある物質にテラヘルツ光をあてて、その吸収波長を調べれば数秒で種類を特定できる。欧米ではテロ対策として爆発物検査への実用化研究が進んでいる。
- 2009年。京都大学とアイシン精機のグループはテラヘルツ波を高い強度で発生できる小型の卓上型装置を開発した。周波数約0.2～2ﾃﾗ（ﾃﾗ＝１兆）の波が発生可能で、電場の強度は1cm当たり8㌔ﾎﾞﾙﾄ。ファイバーレーザーで発生させたテラヘルツ波としては世界最高の出力。
- 透視用
- 理化学研究所と科学技術振興機構は2006年7/6、Ｘ線に代わる透過撮影用の光源として注目されているテラヘルツ光を検出する新技術を開発した。
カーボンナノチューブを利用した。
テラヘルツ光は周波数が主に１ﾃﾗ～10ﾃﾗﾍﾙﾂ（1ﾃﾗ=1兆）の光で、電波の透過性も持つ。刃物やプラスチック爆弾を隠し持っているのを透視する装置やガン診断などに応用が可能。
研究チームは、直径約1ﾅﾉ㍍、長さ300ﾅﾉ㍍のナノチューブを使ったトランジスタを作成・摂氏マイナス２７１度程度まで冷却し、周波数約2.5ﾃﾗﾍﾙﾂのテラヘルツ光を当てると、つないだ回路に電流のピークが現れ、光を検出できた。
カーボンナノチューブでテラヘルツ光を検出したのは初めて。
- 液体・プラスチックを透視
- 2006年8月に英当局が摘発した旅客機爆破テロ計画では容疑者らが液体の爆発物を持ち込もうとしていた。○○社はオゾンホールの測定に使われる技術を応用して、服の下に何が隠されているかを透視する探知システムを製品化した。
黒いシルエットとして画面に映った被験者の胸元が青く光る。身体検査をしたところ、胸ポケットから水のボトルが出てきた。
同社のシステムは金属に限らず液体・プラスチック・陶器など様々な物質を服の上から見つけ出す。
仕組みは･･･人体や物体は自然に『テラヘルツ波』という電磁波を放っている。周波数がテラ(＝１兆)ヘルツ単位の電磁波で、電波のように物質を透過する性質などを持つ。これをセンサーで検知して画像化することで調べる。
乾電池１個で稼働し、対象が動いていたり、10ｍ離れた所からでもしく別が可能。
- 広域の受信機
- 2008年、産業技術総合研究所とＮＴＴは200～500ギガヘルツのテラヘルツ波を受診できる受信機を開発。
2009年、国立天文台は電波と光の中間の電磁波「テラヘルツ波」を高感度に感知する受信機を開発した。南米チリに建設中の世界最大の電波天文台「ＡＬＭＡ（アルマ）」に取り付ける計画。
- 感度1000倍
- 2009年、理化学研究所の河野行雄専任研究員は、爆発物の検知などに使われるテラヘルツ波を高感度で検出できるセンサーを開発した。カーボンナノチューブを使い、従来より1000倍以上性能が高まった。
コンクリートの内部のひび割れにも応用できる。
開発したセンサーは1㍉㍍角で厚さは0.5㍉㍍。センサーにテラヘルツ波が当たると、半導体の部分で電子が発生してナノチューブに電子が流れる。ナノチューブに流れた電子をとらえることでテラヘルツ波を検出する仕組み。
- コンピューターに応用
- 東京大学の中嶋誠助教と末元徹教授、大学院生も山口啓太さんらは、光と電波の中間的な性質を持つ「テラヘルツ波」でコンピューターの計算に使う信号を作り出す方法を考案した。
- 原理の上では、ＣＰＵ（中央演算処理装置）の計算速度を600倍以上に速め、消費電力も1/1000以下にできるという。
- テラヘルツ波を使って電子の自転（スピン）で生まれる磁力線の状態を制御する技術を開発した。
- 成果は米国物理学境界の専門誌フィジカル・レビュー・レターズ誌に発表した。
- 磁場中に置いた磁性材料にテラヘルツ波を断続的に当てると回転する渦巻き状の磁力線が外に飛び出す。
- さらにテラヘルツ波を磁力線が1周する時間（周期）に合わせて照射すると回転の振幅は2倍になる。一方、半周期ずらして当てると、振幅が消えて回転しなくなる。
- テラヘルツ波を吸収する極小金属コイル
- 東京工業大学と大阪大学のチームは、光と電波の中間的な性質を持つテラヘルツ波と呼ばれる電磁波を吸収できる金属コイルの作成技術を開発した。
- ハスなどの植物が持つ螺旋構造を鋳型として利用し、安く大量に作れる。
- 東工大の鎌田香織助教と大学院生の鈴木壮一郎氏、阪大の萩行正憲教授らは、植物の茎で栄養分や水分の通り道になっている維管束を利用した。ハスの茎の維管束にあるセルロースで出来たらせん状の組織に、銀をメッキすると極小のコイルが約10分でできた。
- コイルの直径は約50ﾏｲｸﾛ㍍と髪の毛とほぼ同じ太さ。電子顕微鏡で観察すると繊維1本1本の表面だけでなく内側にもメッキできていた。
- 同様の手法でスピルリナを金属でメッキした。直径30ﾏｲｸﾛ㍍で、金や銀、銅、ニッケルなど様々な金属に対応できた。
- ハスの維管束、スピルリナとも左巻のらせん状構造を持っているため、特定の波だけを区別し吸収することもできるという。
- 金属コイルは機器類の誤作動を防ぐために電磁波吸収材として利用されている。
- コイルの直径が小さいほど高周波の電磁波を吸収できる。
- 高速道路のＥＴＣでは30ｷﾞｶﾞ～300ｷﾞｶﾞＨｚのミリ波に対応したコイルが使われている。
- 周波数を自在に調節
- 2011年、岡田隆典・京都大学助教や田中耕一郎教授らは、半導体に10兆分の1秒という短いレーザーを照射し、半導体の表面に周期的な模様を作製。ここにテラヘルツ光を当てると、特定の周波数に絞り込めるという。
- 半導体の性能向上に
- 2011年、京都大学の田中耕一郎教授らは、電波と光の中間の性質を持つ「テラヘルツ光」を半導体に照射すると、電気を流す性能に関係する自由電子の数が千倍に増幅することを見つけた。
- 広島大学の角屋豊教授らとの共同研究。成果はネイチャー・コミュニケーションズ（電子版）に掲載。
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