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微小金属らせんとテラヘルツ光との相互作用を可視化 ~次世代超高速移動通信などにおける高性能アンテナへ応用~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研),同志社大学,京都大学は2021年2月8日,理研 光量子工学研究センターテラヘルツ光源研究チームの野竹 孝志研究員,南出 泰亜チームリーダー,テラヘルツイメージング研究チームの大谷 知行チームリーダー,同志社大学 ハリス理化学研究所の彌田 智一教授,京都大学大学院理学研究科の有川 敬助教,田中 耕一郎教授らの共同研究グループが,藻類のスピルリナ(らせん構造を持つ多細胞糸状体原核生物)を鋳型として作製した微小な金属らせん構造から特定の方向にテラヘルツ(THz)光が放射される様子を,高性能THz近接場顕微鏡を用いてリアルタイムに可視化することに成功したと共同発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会 科学研究費補助金新学術領域研究による支援を受けて行われ,成果は国際科学雑誌Scientific Reports オンライン版に掲載された(注).

 近年,THz(1012/s)帯の電磁波(THz光)を利用した新しいイメージングやセンシング,分光応用が実現しつつある.また,THz光は,次世代の超高速移動通信規格(Beyond 5G/6G)における電磁波資源であり,THz光を発生・検出・制御するためのさまざまな光・電子デバイスの開発競争が世界中で加速している.

 共同研究グループでは先ず,1mm以下の微小らせん構造アンテナをバイオテンプレート技術を用いて作製した.藻類のスピルリナをニッケルで無電解メッキし,長さ120μm,直径23μm,線径7μmの微小な金属らせん構造を作製した.らせん構造は,広帯域で軸方向,直交方向のどちらにも受信・放射できるヘリカルアンテナとして動作する.また,スピルリナの長さは,THz光の波長と同等の100~200μm程度であることから,THz光と効率良く相互作用することも期待される.このサイズの金属らせん構造は,工業用微小ばねを量産する従来の金属加工法では作製が極めて困難であるが,バイオテンプレート技術であれば安価に大量生産が可能という特徴がある.

 次に,本研究グループ開発のTHz近接場顕微鏡を用いて,微小金属らせん構造とTHz光との相互作用を調べた.THz光は人間の目で直接見ることはできないが,THz近接場顕微鏡を用いればTHz光を可視化し,優れた空間・時間分解能で観測できる.微小金属らせんアンテナはLiNbO3結晶薄膜(厚さ10μm)上に載せ,LiNbO3結晶の屈折率がTHz光で変化することを観測光(100fs,fs=10-15s,780nm,直線偏光)の偏光変化としてCMOSカメラで検出した.ピコ秒THz光パルス(3ps,ps=10--12s)によって励振された微小金属らせん構造のアンテナから,らせん軸方向(0.9~1.6THz)と直交方向(0.5~1.4THz)へ,夫々異なる周波数のTHz光が再放射される様子を,THz光波長の1/30程度の空間分解能(14μm)と,フェムト秒(67fs)の時間分解能でリアルタイムに可視化することに成功した.

 今回観測したTHz放射の帯域は,現在の5G通信規格で使われている帯域の約1万倍あり,次世代の大容量超高速移動通信向け超広帯域アンテナとしての応用が期待される.さらに,微小金属らせん構造1個で異なる周波数および異なる方向のTHz光を送受信でき,高性能な微小アンテナとしても期待できる.

(注)T. Notake, T. Iyoda, T. Arikawa, K. Tanaka, C. Otani, and H. Minamide, "Dynamical visualization of anisotropic electromagnetic re-emissions from a single metal micro-helix at THz frequencies", Scien-tific Reports, Vol. 11, Article number: 3310 (2021), DOI: 10.1038/s41598-020-80510-y; Published: 08 Feb. 2021