研究者らは、分光法や画像化のために、電磁スペクトルの0.3～30THzにあるいわゆるテラヘルツギャップを利用するのに使用できる、光子回路を集積した極めて薄いチップを開発した。
このギャップは現在、一種の技術的デッドゾーンであり、今日の電子機器や通信機器にとっては速すぎるが、光学や画像処理のアプリケーションにとっては遅すぎる周波数を表しています。
しかし、科学者たちが開発した新しいチップにより、周波数、波長、振幅、位相を自在に制御できるテラヘルツ波を生成できるようになりました。このような精密な制御により、テラヘルツ放射を電子分野と光学分野の両分野における次世代アプリケーションに活用できるようになる可能性があります。
EPFL、ETHチューリッヒ、ハーバード大学が共同で行ったこの研究は、ネイチャーコミュニケーションズ。
EPFL工学部ハイブリッドフォトニクス研究所（HYLAB）で本研究を率いたクリスティーナ・ベネア＝チェルムス氏は、テラヘルツ波はこれまでも実験室で生成されてきたものの、適切な周波数を生成するために主にバルク結晶に依存していたと説明した。しかし、同氏の研究室では、ハーバード大学の協力者によってナノメートルスケールで微細にエッチングされたニオブ酸リチウム製の光子回路を用いることで、はるかに効率的なアプローチを実現している。また、シリコン基板を使用しているため、このデバイスは電子システムや光学システムへの統合にも適している。
「非常に高い周波数の波を生成することは極めて困難で、独特なパターンで生成できる技術はほとんどありません」と彼女は説明した。「私たちは現在、テラヘルツ波の時間的形状を正確に設計できるようになりました。つまり、『このような波形が欲しい』と言えばいいのです。」
これを実現するために、ベネア・チェルムス氏の研究室は、光ファイバーからの光によって生成されたテラヘルツ波を微小アンテナで送信できるように、導波路と呼ばれるチャネルのチップ配置を設計した。
「私たちのデバイスが既に標準的な光信号を利用していることは、非常に有利です。なぜなら、これらの新しいチップは、非常に優れた性能を持ち、広く理解されている従来のレーザーと組み合わせて使用できるからです。つまり、私たちのデバイスは通信機器と互換性があるということです」とベネア＝チェルムス氏は強調した。彼女はさらに、テラヘルツ帯で信号を送受信する小型デバイスは、第6世代モバイルシステム（6G）において重要な役割を果たす可能性があると付け加えた。
光学分野において、ベネア＝チェルムス氏は、分光法とイメージングにおける小型ニオブ酸リチウムチップの大きな可能性を見出しています。テラヘルツ波は非電離性であることに加え、骨や油絵など、物質の組成に関する情報を得るために現在使用されている他の多くの種類の波（X線など）よりもエネルギーがはるかに低いという特徴があります。そのため、ニオブ酸リチウムチップのような小型で非破壊的なデバイスは、現在の分光法に代わる、より侵襲性の低い代替手段となる可能性があります。
「興味のある物質にテラヘルツ波を送り込み、分子構造に応じて物質の反応を測定するという想像をしてみてください。しかも、これらすべてをマッチの頭よりも小さな装置で実現できるのです」と彼女は述べた。
ベネア＝チェルムス氏は次に、チップの導波管とアンテナの特性を微調整し、より大きな振幅と、より細かく調整された周波数と減衰率を持つ波形を設計することに注力する予定です。彼女はまた、自身の研究室で開発されたテラヘルツ技術が量子アプリケーションに役立つ可能性も見出しています。
「解決すべき根本的な疑問は数多くあります。例えば、このようなチップを用いて、極めて短い時間スケールで操作可能な新しいタイプの量子放射線を生成できるかどうかに関心があります。量子科学におけるこのような波は、量子物体の制御に利用できる可能性があります」と彼女は結論付けました。
投稿日時: 2023年2月14日
