テラヘルツ放射

テラヘルツ放射は、約2ケルビン以上の温度を持つあらゆる物体から黒体放射の一部として放出されます。この熱放射は非常に弱いものの、これらの周波数での観測は、天の川銀河の星間雲や遠方のスターバースト銀河に存在する、10 ～ 20ケルビンの低温の宇宙塵を特徴づける上で重要です。  

この帯域で運用されている望遠鏡には、ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡、カリフォルニア工科大学サブミリ波天文台、ハワイのマウナケア天文台のサブミリ波アレイ、 BLAST気球搭載望遠鏡、ハーシェル宇宙天文台、アリゾナのマウント・グラハム国際天文台のハインリッヒ・ヘルツ・サブミリ波望遠鏡、アタカマ大型ミリ波アレイなどがあります。地球の大気吸収スペクトルにより、大気のサブミリ波放射に対する不透明度がこれらの観測所を非常に高い高度の場所、または宇宙に限定しています。^{[ 15 ] [ 16 ]}

2012年現在テラヘルツ放射の実現可能な光源としては、ジャイロトロン、後方波発振器（「BWO」）、分子ガス遠赤外線レーザー、ショットキーダイオード乗算器^{[ 17 ]} 、バラクタ（バリキャップ）乗算器、量子カスケードレーザー^{[ 18} ] ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] 、}自由電子レーザー、シンクロトロン光源、光混合光源、光伝導、表面電界、フォトデンバー、光整流エミッタなどのテラヘルツ時間領域分光法で使用されるシングルサイクルまたはパルス光源^{[ 22 ]}、および共鳴トンネルダイオードに基づく電子発振器があり、これらは1.98 THzまで動作することが示されています。^{[ 23 ]}右側は、サブナノメートル3Dイメージングおよび分光法に使用される広帯域30THzエミッターのデンドリマー双極子励起（DDE）メカニズムの画像です。^{[ 24 ]} 

ミリ波およびサブミリ波の固体光源は、長年にわたり存在してきた。例えば、パリのAB Millimeter社は、固体光源と検出器を用いて 8GHzから1,000GHzまでの全範囲をカバーするシステムを製造している 。現在では、時間領域における研究のほとんどは、超高速レーザーを用いて行われている。

2007 年半ば、米国エネルギー省アルゴンヌ国立研究所の科学者たちは、トルコと日本の協力者とともに、携帯可能なバッテリー駆動のテラヘルツ放射源につながる可能性のある小型デバイスの開発を発表した。^{[ 25 ]}このデバイスは、日本の筑波大学で育成された高温超伝導結晶を使用している。これらの結晶はジョセフソン接合の積層体で構成されており、ジョセフソン効果として知られる特性を示す。外部電圧を印加すると、電圧に比例した周波数で交流電流が接合部を流れる。この交流電流は電磁場を誘起する。小さな電圧 (接合部あたり約 2 ミリボルト) でテラヘルツ帯の周波数を誘起することができる。

2008年、ハーバード大学のエンジニアは、半導体光源を用いて、室温で数百ナノワットのコヒーレントテラヘルツ放射を放出することに成功した。テラヘルツ放射は、中赤外量子カスケードレーザーの2つのモードの非線形混合によって生成された。以前の光源は極低温冷却が必要であったため、日常的な用途での使用が大きく制限されていた。^{[ 26 ]}

 2009年に、粘着テープを剥がす行為によって、2 THzに狭いピーク、18 THzに広いピークを持つ非偏光テラヘルツ放射が発生することが発見されました 。その発生メカニズムは、粘着テープの摩擦帯電とその後の放電であり、これはガスの誘電破壊中の吸収またはエネルギー密度の集中を伴う制動放射が関与していると仮説が立てられました。 ^{[ 27 ]}

2013年、ジョージア工科大学のブロードバンド無線ネットワーク研究所とカタルーニャ工科大学の研究者らは、グラフェンアンテナを作成する方法を開発した。これは、幅10～100 ナノメートル、長さ1マイクロメートルのグラフェンストリップに成形されたアンテナである。このようなアンテナは、テラヘルツ周波数帯の電波を発信するために使用できる。^{[ 28 ] [ 29 ]}

「マイクロ波発生に使用されるほとんどの真空電子デバイスは、マグネトロン[ ^{38 ] 、}ジャイロトロン[39]、^{シンクロトロン[} 40]、^{自由電子レーザー}[41]を含め、テラヘルツ周波数で動作するように改造できる」という記述の例外として、DDE[30]を参照のこと。^{同様に、トンネルダイオードなど}のマイクロ波検出器も、テラヘルツ^{[ 42 ]}および赤外線^{[ 43 ]}周波数で検出できるように再設計されている。しかし、これらのデバイスの多くは試作品の段階であり、コンパクトではなく、大量生産によるコスト削減の恩恵を受けることなく、大学や政府の研究室に存在している。

テラヘルツ放射は、生体分子系が機能する過程における運動と同程度の周波数を持っています（1THzの周波数は1ピコ秒の時間スケールに相当し、特に数百GHzから数THzの範囲は、数psから数nsの生体分子緩和時間スケールに匹敵します）。したがって、数百GHzから数THzの範囲の放射を比較的低いエネルギー（著しい加熱や電離なし）で使用することで、生物学的機能および神経学的機能の変調が可能となり、有益な効果または有害な効果が得られます。^{[ 44 ] [ 45 ]}

X線とは異なり、テラヘルツ放射線は電離放射線ではなく、その低い光子エネルギーは一般的に生体組織やDNAを損傷しません。テラヘルツ放射線のいくつかの周波数は、水分含有量の少ない組織（例えば、脂肪組織）を数ミリメートル透過して反射することができます。テラヘルツ放射線は、組織の水分含有量と密度の違いを検出することもできます。このような方法により、安全で非侵襲的で痛みのないイメージングシステムで上皮癌を効果的に検出することが可能になります。 ^{[ 46 ]} COVID-19スクリーニングの需要に応えて、テラヘルツ分光法とイメージングが迅速なスクリーニングツールとして提案されています。^{[ 47 ] [ 48 ]}

テラヘルツ波を用いて生成された最初の画像は1960年代に遡りますが、1995年にはテラヘルツ時間領域分光法を用いて生成された画像が大きな注目を集めました。

テラヘルツ波の特定の周波数は、歯の3D画像化に使用でき、歯科における従来のX線画像化よりも正確である可能性がある。

テラヘルツ波は布やプラスチックを透過できるため、セキュリティ検査などの監視に利用でき、遠隔で人の隠し武器を発見することができます。これは、多くの対象物質がテラヘルツ領域で固有のスペクトル「指紋」を持っているため、特に興味深いものです。これにより、スペクトル識別とイメージングを組み合わせることが可能になります。2002年、ラザフォード・アップルトン研究所（英国オックスフォードシャー）を拠点とする欧州宇宙機関（ESA）のスタータイガーチーム^{[ 49 ]}は、手の最初の受動テラヘルツ画像を生成しました^{[ 50 ]} 。2004年までに、中央研究所評議会（CCLRC）ラザフォード・アップルトン研究所からスピンアウトしたThruVision Ltdは、セキュリティ検査用途の世界初の小型THzカメラを実証しました。プロトタイプシステムは、衣服の下に隠された銃や爆発物をうまく画像化しました。^{[ 51 ]}テラヘルツ信号の受動検出は、非常に特定の範囲の物質や物体を対象とすることで、他の検出方法の身体のプライバシーに関する懸念を回避します。^{[ 52 ] [ 53 ]}

2013年1月、ニューヨーク市警は隠し武器の探知に新技術を試験的に導入する計画を発表した[ ^{54 ] 。}これを受けてマイアミのブロガーでプライバシー活動家のジョナサン・コーベットは同月、マンハッタン連邦裁判所に同署を相手取って訴訟を起こし、その使用に異議を唱えた。「何千年もの間、人間は慎みを守るために衣服を使用しており、衣服の内側にあるものについては、誰も透けて見ることができないため、プライバシーが守られるという期待を当然抱いてきた」。彼は、合理的な疑いや相当な理由なしにこの技術を使用することを禁止する裁判所命令を求めた^{[ 55 ]} 。 2017年初頭までに、同署は連邦政府から提供されたセンサーを使用するつもりはないと述べた^{[ 56 ] 。}

テラヘルツ放射分光法は、現在サブミリ波天文学で利用されているが、化学や生化学にも新たな情報源を提供する可能性がある。^{[ 57 ]}

近年開発されたテラヘルツ時間領域分光法（THz TDS）およびテラヘルツ断層撮影法は、可視光および近赤外領域で不透明な試料を画像化できることが実証されている。試料が非常に薄い場合、または吸光度が低い場合、THz-TDSの有用性は限られる。これは、試料によって引き起こされるテラヘルツパルスの変化と、駆動レーザー光源または実験における長期的な変動によって引き起こされる変化を区別することが非常に困難であるためである。しかし、THz-TDSはコヒーレントかつ広帯域な放射を生成するため、このような画像は、単一周波数光源で形成される従来の画像よりもはるかに多くの情報を含むことができる。

サブミリ波は、高磁場（約11テスラ以上）では電子スピンのラーモア周波数がサブミリ波帯にあるため、高磁場中の物質を研究するために物理学で用いられています。フロリダ州にある国立高磁場研究所（NHMFL）など、多くの高磁場研究所がこうした高周波EPR実験を実施しています。 

テラヘルツ放射線を使えば、美術史家は、何世紀も前の建物の漆喰や塗料の下に隠された壁画を、作品を傷つけることなく見ることができるようになるかもしれない。^{[ 58 ]}

さらに、THzイメージングは​​レンズアンテナを使用して物体の電波画像を捉えるために行われた。^{[ 59 ] [ 60 ]}

数ギガ電子ボルト/メートル (GeV/m) の加速勾配を実現できる新しいタイプの粒子加速器は、将来の世代の高エネルギー衝突型加速器のサイズとコストを削減し、世界中の小規模研究所にコンパクトな加速器技術を広く提供するために極めて重要です。 100 MeV/m 程度の勾配は従来の技術で達成されていますが、RF 誘起プラズマ破壊によって制限されています。^{[ 61 ]}ビーム駆動誘電体ウェイクフィールド加速器 (DWA) ^{[ 62 ] [ 63 ]}は通常テラヘルツ周波数範囲で動作し、表面電場のプラズマ破壊閾値を数 GV/m の範囲に押し上げます。^{[ 64 ]} DWA 技術は、バンチあたりかなりの量の電荷を収容でき、加速構造の従来の製造技術へのアクセスを可能にします。現在までに、サブミリメートルの横方向開口部を持つ誘電体ライニング導波路を使用して、0.3 GeV/mの加速勾配と1.3 GeV/mの減速勾配^{[ 65 ]が達成されている。}

可変内径の誘電体キャピラリーでは、チェレンコフ・スミス・パーセル放射機構^{[ 66 ] [ 67 ]}によって1 GeV/mを超える加速勾配が生成される可能性がある。電子バンチがキャピラリーを通過すると、その自己場が誘電体材料と相互作用し、チェレンコフ角で材料内部を伝播するウェイクフィールドを生成する。材料の比誘電率が1より大きいため、ウェイクフィールドは光速以下に減速される。その後、放射はキャピラリーの金属境界で反射され、真空領域に回折され、キャピラリー軸上に明確な周波数特性を持つ高加速場を生成する。周期境界が存在する場合、スミス・パーセル放射は周波数分散を引き起こす。

波状毛細管を用いた予備研究では、生成される航跡場のスペクトル成分と振幅に若干の変化が見られましたが、^{[ 68 ]} DWAでスミス・パーセル効果を使用する可能性はまだ検討中です。

テラヘルツ波の大気吸収率が高いため、既存の送信機やアンテナを使用した通信範囲は数十メートルに制限されます。しかし、この帯域には割り当てられていない帯域幅が非常に大きいため（ミリ波帯域の10倍、 SHFマイクロ波帯域の100倍）、将来のデータ伝送やネットワーク利用に非常に魅力的です。大気を通してテラヘルツ通信の範囲を拡張するには非常に困難がありますが、世界の電気通信業界はこれらの制限を克服するための研究に多額の資金を提供しています。^{[ 69 ]}有望な応用分野の1つは、 2030年頃に現在の5G規格に取って代わる6G携帯電話および無線規格です。 ^{[ 69 ]}特に、6Gは、テラヘルツや全二重（FD）通信などの先進技術を活用し、動的スペクトル共有と組み合わせることで、高まるデータレートとより効率的なスペクトル効率への需要を満たすことが期待されています。^{[ 70 ]}

アンテナ開口部が一定の場合、指向性アンテナの利得は周波数の二乗に比例しますが、低電力送信機の場合、電力効率は帯域幅に依存しません。したがって、通信リンクの消費係数理論は、従来の工学的常識に反して、固定開口部の場合、ミリ波およびテラヘルツ帯域の高い周波数を使用する方が、ビット/秒/ワットでより効率的であることを示しています。^{[ 69 ]}直径数センチメートルの小型指向性アンテナは、THz放射の非常に狭い「ペンシル」ビームを生成でき、複数のアンテナのフェーズドアレイは、ほぼすべての電力出力を受信アンテナに集中させることができ、より長距離での通信を可能にします。

2012年5月、東京工業大学の研究チーム^{[ 71 ]}はElectronics Letters誌に、テラヘルツ波を用いて無線データ伝送の新記録を樹立し、将来的にデータ伝送の帯域幅としてテラヘルツ波を使用することを提案したと発表しました^{[ 72 ]} 。この研究チームの概念実証デバイスは、共振トンネルダイオード（RTD）負性抵抗発振器を使用してテラヘルツ帯の波を生成しました。このRTDを使用して、研究者らは542GHzで信号を送信し 、毎秒3ギガビットのデータ転送速度を実現しました^{[ 72 ]} 。これは、2011年11月に記録されたデータ伝送速度の記録の2倍です^{[ 73 ]} 。この研究では、このシステムを使用したWi-Fiは、約10メートル（33フィート）に制限されるものの、最大100ギガビット/秒のデータ伝送が可能になることが示唆されました。^{[ 72 ]} 2011年、日本の電子部品メーカーであるロームと大阪大学の研究チームは、テラヘルツ波を使用して1.5 Gbit /sの伝送が可能なチップを開発した。 ^{[ 74 ]} 2017年、ブラウン大学の研究者は、テラヘルツ多重化器を使用して2つのビデオを50 Gbit/sの速度で転送することに成功した。これは、当時の携帯電話データネットワークの転送速度よりもかなり速い。^{[ 75 ]}  

水蒸気が信号吸収を引き起こす高高度通信、すなわち航空機と衛星間通信や衛星間通信において、潜在的な用途が存在する。

テラヘルツセンシングとイメージングの多くの用途が、製造、品質管理、およびプロセス監視において提案されている。これらは一般的に、プラスチックや段ボールがテラヘルツ放射に対して透明であるという特性を利用して、包装された商品を検査することを可能にする。光電子テラヘルツ時間領域分光法に基づく最初のイメージングシステムは、1995年にAT&Tベル研究所の研究者によって開発され、包装された電子チップの透過画像を生成するために使用された。^{[ 79 ]}このシステムは、ピコ秒の範囲の持続時間を持つパルスレーザービームを使用した。それ以来、一般的に使用されている商用/研究用テラヘルツイメージングシステムは、パルスレーザーを使用してテラヘルツ画像を生成する。画像は、送信されたテラヘルツパルスの減衰または位相遅延のいずれかに基づいて作成できる。^{[ 80 ]}

ビームは端でより多く散乱され、また異なる物質は吸収係数が異なるため、減衰に基づく画像は物体内部の端や異なる物質を示します。このアプローチは、透過ビームの減衰に基づいて画像が生成されるX線透過イメージングに似ています。^{[ 81 ]}

2番目のアプローチでは、受信パルスの時間遅延に基づいてテラヘルツ画像が生成されます。このアプローチでは、厚い部分ほどパルスの時間遅延が大きくなるため、物体の厚い部分がよく認識されます。レーザースポットのエネルギーはガウス関数によって分布されます。フラウンホーファー領域におけるガウスビームの形状と挙動は、ビームの周波数が低下するにつれて電磁ビームの発散が大きくなり、解像度が低下することを意味します。^{[ 82 ]}これは、テラヘルツイメージングシステムが走査型音響顕微鏡（SAM）よりも高解像度ですが、 X線イメージングシステムよりも解像度が低いことを意味します。テラヘルツはパッケージ化された物体の検査に使用できますが、微細検査には解像度が低いという問題があります。電子チップのX線画像とテラヘルツ画像が右の図に示されています。^{[ 83 ]}明らかにX線の解像度はテラヘルツ画像よりも高いですが、X線は電離放射線であり、半導体や生体組織などの特定の物体に有害な影響を与える可能性があります。

テラヘルツシステムの低解像度を克服するために、近接場テラヘルツイメージングシステムが開発されている。^{[ 84 ] [ 85 ]}近接場イメージングでは、検出器を平面の表面に非常に近い位置に配置する必要があり、そのため厚いパッケージングされた物体のイメージングは​​実現不可能かもしれない。解像度を向上させるための別の試みとして、テラヘルツよりも高い周波数のレーザービームを使用して半導体物体のpn接合を励起し、その結果、接合部が切断されていない限りテラヘルツ放射を生成し、このようにして損傷したデバイスを検出できる。^{[ 86 ]}このアプローチでは、吸収が周波数とともに指数関数的に増加するため、やはり厚いパッケージングされた半導体の検査は不可能かもしれない。したがって、達成可能な解像度とパッケージング材料へのビームの浸透の厚さとの間のトレードオフを考慮する必要がある。

継続的な調査により、エミッタ（光源）と検出器が改良され、この分野の研究が活発化している。しかし、エミッタのサイズが大きいこと、周波数範囲が互換性がないこと、動作温度が望ましくないこと、また、コンポーネント、デバイス、検出器の要件が固体エレクトロニクスとフォトニック技術の中間にあることなど、欠点が残っている。^{[ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]}

自由電子レーザーは、マイクロ波からテラヘルツ波、X線に至るまで、幅広い電磁波の誘導放出を生成できます。しかし、これらは大型で高価であり、無線通信などの厳密なタイミングが要求される用途には適していません。現在活発に研究されているテラヘルツ波の他の発生源としては、固体発振器（周波数逓倍による）、後方波発振器（BWO）、量子カスケードレーザー、ジャイロトロンなどがあります。