テラヘルツ放射

テラヘルツ放射は、サブミリ波放射、テラヘルツ波、超高周波^[1] ( THF )、T線、T波、T光、TルクスまたはTHzとも呼ばれ 、ITU指定の0.3～3 テラヘルツ(THz)の周波数帯域内の電磁波で構成されていますが、^[2]上限は多少恣意的で、一部の情報源では30 THzと考えられています。^[3] 1テラヘルツは10 ¹² Hzまたは1,000 GHzです。テラヘルツ帯域の放射の波長は、それに応じて1 mm～0.1 mm = 100 μmの範囲です。テラヘルツ放射は波長約1ミリメートルから始まり、より短い波長へと進むため、特に天文学ではサブミリ波帯と呼ばれ、その放射はサブミリ波と呼ばれることがあります。この電磁放射の帯域は、マイクロ波と遠赤外線の間の遷移領域内にあり、どちらとしても考えられます。  

より低い無線周波数と比較して、テラヘルツ放射は大気中のガスによって強く吸収され、空気中ではエネルギーの大部分が数メートル以内で減衰するため^{[4] [5] [6]}、長距離の地上無線通信には実用的ではありません。薄い層の材料を透過できますが、厚い物体によって遮断されます。材料を透過したTHzビームは、材料の特性評価、層の検査、起伏測定に使用でき、^[7] X線の低エネルギー代替として固体内部の高解像度画像を生成するために使用できます。^[8]

テラヘルツ放射は、マイクロ波と赤外線の波の範囲が重なる中間領域を占めており、「テラヘルツギャップ」として知られています。このギャップと呼ばれるのは、その生成と操作の技術がまだ初期段階にあるためです。この周波数範囲での電磁波の生成と変調は、電波やマイクロ波を生成するために使用される従来の電子機器では不可能であり、新しい機器と技術の開発が必要です。

テラヘルツ放射は、電磁スペクトルでは赤外線とマイクロ波の中間に位置し、これらといくつかの特性を共有しています。テラヘルツ放射は視線に沿って進み、非電離性です。マイクロ波と同様に、テラヘルツ放射は衣類、紙、段ボール、木材、石材、プラスチック、セラミックなど、さまざまな非導電性材料を透過します。透過深度は通常、マイクロ波放射よりも浅くなります。赤外線と同様に、テラヘルツ放射は霧や雲を透過する距離が限られており、液体の水や金属を透過することはできません。^[10]テラヘルツ放射は、X線のように体組織をある程度透過しますが、X線とは異なり非電離性であるため、医療用X線の代替として注目されています。波長が長いため、テラヘルツ波を使用して作成された画像はX線よりも解像度が低く、強調する必要があります（右の図を参照）。^[9]

地球の大気はテラヘルツ放射を強く吸収するため、空気中のテラヘルツ放射の範囲は数十メートルに制限され、長距離通信には適していません。ただし、約10メートルの距離であれば、この帯域は、特に屋内システムなどの高帯域幅ワイヤレスネットワークシステムの画像化や構築において、多くの有用な用途を可能にする可能性があります。さらに、コヒーレントテラヘルツ放射の生成と検出は技術的に依然として困難ですが、ジャイロトロン、後進波発振器、共鳴トンネルダイオードなど、0.3～1.0 THzの範囲（スペクトルの下部）で安価な商用ソースが現在存在しています。^[要出典] THz光子のエネルギーが小さいため、現在のTHzデバイスは、環境ノイズを抑制するために動作中に低温である必要があります。そのため、オプトメカニカルメタデバイスなどのさまざまな戦略を使用して、動作温度を向上させるためにTHz研究に多大な努力が注がれてきました。^{[11] [12]}

テラヘルツ放射は、約 2ケルビン以上の温度の物体から 黒体放射の一部として放射されます。この熱放射は非常に弱いですが、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ある10～20 K の冷たい宇宙塵の特性を明らかにするために重要です 。^{[引用が必要]}

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のサブミリ波天文台、ハワイのマウナケア天文台のサブミリ波干渉計、 BLAST気球搭載望遠鏡、ハーシェル宇宙望遠鏡、アリゾナ州のマウント・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、最近建設されたアタカマ大型ミリ波干渉計などがある。地球の大気の吸収スペクトルのため、サブミリ波放射に対する大気の不透明度は、これらの観測所を非常に高い高度の場所、または宇宙に制限している。^{[13] [14]}

2012 年現在^{[アップデート]}、テラヘルツ放射の実現可能な発生源としては、ジャイロトロン、後進波発振器(BWO)、分子ガス遠赤外線レーザー、ショットキー ダイオード増倍器、^[15]バラクタ (バリキャップ) 増倍器、量子カスケード レーザー、^{[16] [17] [18] [19]}自由電子レーザー、シンクロトロン光源、光混合源、テラヘルツ時間領域分光法で使用される光伝導エミッター、表面電場エミッター、光デンバーエミッター、光整流エミッターなどの単一サイクルまたはパルス光源、^{[20]があり、}共鳴トンネル ダイオードに基づく電子発振器は1.98 THz まで動作することが示されています。^[21]

ミリ波およびサブミリ波の固体光源も長年存在しています。たとえば、パリの AB ミリメーター社は、固体光源と検出器を使用して 8 GHz から 1,000 GHz までの全範囲をカバーするシステムを製造しています。現在、ほとんどの時間領域作業は超高速レーザーによって行われています。

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らは、トルコと日本の協力者と共同で、携帯可能で電池駆動のテラヘルツ放射源につながる小型装置の開発を発表した。^[22]この装置は、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スタックで構成されており、ジョセフソン効果と呼ばれる特性を示す。外部電圧が印加されると、電圧に比例した周波数で交流電流が接合を流れる。この交流電流により電磁場が発生する。小さな電圧 (接合あたり約 2 ミリボルト) でテラヘルツ領域の周波数を発生させることができる。

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数百ナノワットのコヒーレントテラヘルツ放射を室温で放射することに成功した。テラヘルツ放射は中赤外線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。従来の光源は極低温冷却を必要とし、日常的な用途での使用には大きな制限があった。^[23]

2009年、粘着テープを剥がす動作によって、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れに続く放電であり、これはガスの誘電破壊中に吸収またはエネルギー密度の集中を伴う制動放射線に関係していると考えられていました。 ^[24]

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るアンテナである。このようなアンテナは、テラヘルツ周波数範囲の電波を放射するために使用できる。^{[25] [26]}

工学上、テラヘルツギャップとは、THz領域における実用的な放射生成・検出技術が存在しない周波数帯のことである。0.1～10THz（波長3mm～30μm）と定義されているが、上限はやや恣意的で、一部の情報源では30THz（波長10μm）と考えられている。^[27]現在、この範囲内の周波数では、有用な発電・受信技術は非効率で実現不可能である。

この範囲のデバイスの大量生産や室温での動作（エネルギーkTは6.2 THzの周波数の光子のエネルギーに等しい）は、ほとんどが非現実的である。これにより、無線スペクトルの最高周波数における成熟したマイクロ波技術と、最低周波数における赤外線検出器の十分に発達した光学工学との間にギャップが生じる。この放射線は主に、サブミリ波天文学などの小規模で特殊な用途で使用されている。この問題を解決しようとする研究は、20世紀後半から行われている。^{[28] [29] [30] [31] [32]}

2024年にドイツの研究者らによって、非冷却焦電受信機を用いて「赤外線品質」で4.75THzのTDLAS実験が行われた実験が発表されました^[33] 。THz源は43.3Kで動作するcw DFB-QCレーザーで、レーザー電流は480mA～600mAです。

マイクロ波発生に使用される真空電子デバイスのほとんどは、マグネトロン^{[34] 、ジャイロトロン[35]}、シンクロトロン[36]、自由電子レーザー^{[ 37]など、テラヘルツ周波数で動作するように改造することができます。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^[38]や赤外線^[39]の周波数でも検出できるように再設計されています。しかし、これらのデバイスの多くはプロトタイプの形態であったり、コンパクトではなかったり、大学や政府の研究室に存在したりしており、大量生産によるコスト削減の恩恵を受けていません。

テラヘルツ放射は、生体分子システムが機能する過程における運動に匹敵する周波数を持っています（周波数1THzは1ピコ秒の時間スケールに相当し、したがって特に数百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で（著しい加熱やイオン化なしで）使用することで、生物学的機能と神経学的機能の変調が可能になり、有益または有害な効果が得られます。^{[40] [41]}

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に生体組織やDNAに損傷を与えません。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：脂肪組織）を数ミリメートル透過し、反射します。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画像化システムを使用して上皮癌を効果的に検出できるようになります。 ^[42] 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。^{[43] [44]}

テラヘルツ放射を使用し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使用して生成された画像が大きな関心を集めました。^{[引用が必要]}

テラヘルツ放射のいくつかの周波数は歯の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ります。^{[引用が必要]}

テラヘルツ放射は布地やプラスチックを透過できるため、セキュリティスクリーニングなどの監視に使用して、遠隔から人物の隠された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範囲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可能性が生まれます。2002 年、欧州宇宙機関(ESA) の Star Tiger チーム^[45]は、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)を拠点として、手の受動テラヘルツ画像を作成しました。^{[46] 2004 年までに、}研究会議中央研究所評議会(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 スクリーニング アプリケーション用の世界初の小型 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正常に画像化しました。^[47]テラヘルツ波の受動的な検出は、非常に特定の範囲の物質や物体を対象とすることで、他の検出方法のような身体のプライバシーに関する懸念を回避します。^{[48] [49]}

2013年1月、ニューヨーク市警は隠し武器を探知する新技術の実験計画を発表したが^[50]、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ニューヨーク市警を相手取り訴訟を起こし、その使用に異議を唱えた。「何千年もの間、人間は衣服を使って慎みを守っており、衣服の内側にあるものは人間が透けて見ることはできないので、当然プライバシーが守られると期待してきた」。彼は、合理的な疑いや相当な理由がない限り、この技術の使用を禁止する裁判所命令を求めた。^[51] 2017年初頭までに、同市警は連邦政府から支給されたセンサーを決して使用するつもりはないと述べた。^[52]

テラヘルツ放射分光法は、サブミリ波天文学における現在の用途に加えて、化学や生化学に新たな情報源を提供できる可能性がある。^[要出典]

最近開発されたTHz 時間領域分光法(THz TDS) とTHz トモグラフィーの手法は、スペクトルの可視領域と近赤外領域で不透明なサンプルを画像化できることが示されています。サンプルが非常に薄い場合や吸光度が低い場合は、THz-TDS の有用性は限られます。これは、サンプルによって引き起こされる THz パルスの変化と、駆動レーザーソースまたは実験の長期変動によって引き起こされる THz パルスの変化を区別することが非常に難しいためです。ただし、THz-TDS はコヒーレントでスペクトルが広い放射を生成するため、このような画像には、単一周波数ソース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めることができます。^{[引用が必要]}

サブミリ波は、高磁場（約 11 テスラ以上）では電子スピンラーモア周波数がサブミリ波帯にあるため、物理学では高磁場内の物質を研究するために使用されます。フロリダ州の国立高磁場研究所(NHMFL)など、多くの高磁場研究所では、これらの高周波EPR実験が行われています。^{[引用が必要]}

テラヘルツ放射により、美術史家は芸術作品にダメージを与えることなく、何世紀も前の建物の漆喰や塗料の下に隠された壁画を見ることができるようになるかもしれない。^[53]

さらに、レンズアンテナを用いて物体の電波画像を撮影するTHzイメージングも行われている。^{[54] [55]}

数ギガ電子ボルト/メートル（GeV/m）の加速勾配を達成できる新しいタイプの粒子加速器は、次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、世界中の小規模な研究室にコンパクトな加速器技術を広く利用できるようにするために極めて重要です。 100 MeV/m のオーダーの勾配は従来の技術で達成されており、RF 誘起プラズマ破壊によって制限されています。^[56]ビーム駆動型誘電体航跡場加速器（DWA）^{[57] [58]}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。^[59] DWA 技術により、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を利用できるようになります。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管を使用して、0.3 GeV/mの加速勾配と1.3 GeV/mの減速勾配^[60]が達成されています。

1 GeV/m を超える加速勾配は、可変内径の誘電体毛細管内でチェレンコフ スミス パーセル放射機構^{[61] [62]}によって生成される可能性があります。電子束が毛細管を伝搬すると、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を伝搬する航跡場を生成します。材料の相対誘電率が 1 より大きいため、航跡場は光速以下に減速されます。その後、放射は毛細管の金属境界で反射され、真空領域に回折され、毛細管軸上に明確な周波数特性を持つ高加速場を生成します。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課します。^[要出典]

波形毛細管を用いた予備研究では、生成された航跡場のスペクトル内容と振幅にいくらかの変化が見られましたが、^[63] 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。^[要出典]

テラヘルツ波は大気で吸収されるため、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、この帯域で利用できる未割り当ての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用途に非常に魅力的です。大気を介したテラヘルツ通信の範囲を拡大することは非常に困難ですが、世界の通信業界はこれらの制限を克服するための研究に多くの資金を提供しています。^[64]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携帯電話およびワイヤレス規格です。 ^[64]

与えられたアンテナ開口部に対して、指向性アンテナの利得は周波数の2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、従来の工学的知恵に反して、固定開口部の場合、ミリ波およびテラヘルツ範囲のより高い周波数を使用する方が、1ワットあたりのビット/秒でより効率的であることを示しています。^[64]直径数センチメートルの小さな指向性アンテナは、非常に狭い「ペンシル」ビームのTHz放射を生成でき、複数のアンテナのフェーズドアレイは、事実上すべての電力出力を受信アンテナに集中させ、より長い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^[65]が、 T線を使用した無線データ伝送の新記録を樹立し、将来的にはこれをデータ伝送の帯域幅として使用することを提案したとElectronics Letters^{に発表した。 [66]}チームの概念実証デバイスは、共鳴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た。このRTDを使用して、研究者は542GHzで信号を送信し、データ転送速度を3ギガビット/秒にしました。^[66]これは、前年11月に記録されたデータ転送速度の2倍でした。^[67]この研究では、システムを使用したWi-Fiは約10メートル（33フィート）に制限されるが、最大100 Gbit/sでのデータ伝送が可能になることが示唆されました。^{[66] [要説明]} 2011年に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1.5Gbit / sの伝送が可能なチップを開発しました。 [ ^68]

潜在的な用途としては、水蒸気による信号吸収が起こる高度以上の高高度通信（航空機から衛星、衛星から衛星）が挙げられます。^[要出典]

多くの行政機関は、通常ITU無線通信規則のRR5.565に基づく免許条件の下、275～3,000GHzの範囲またはさらに高い周波数でのアマチュア無線実験を国レベルで許可している。サブミリ波周波数を使用するアマチュア無線家は、双方向通信距離の記録樹立を頻繁に試みる。米国では、 WA1ZMSとW4WWQが2004年12月21日にCW（モールス信号）を使用して403GHzで1.42キロメートル（0.88マイル）の記録を樹立した。オーストラリアでは、2020年11月8日に30THzでVK3CVとVK3LNの局が60メートル（200フィート）の距離を達成した。^{[69] [70] [71]}

テラヘルツセンシングとイメージングの用途は、製造、品質管理、プロセス監視など多岐にわたります。これらは一般に、プラスチックや段ボールがテラヘルツ放射を透過するという特性を利用しており、包装された商品の検査を可能にします。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ました。^[72]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ました。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します。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に基づいて作成できます。^[73]

ビームはエッジでより多く散乱し、また異なる材料は異なる吸収係数を持つため、減衰に基づく画像は物体のエッジと内部の異なる材料を示します。このアプローチは、透過ビームの減衰に基づいて画像が作成されるX線透過イメージングに似ています。^[74]

2 番目のアプローチでは、受信したパルスの時間遅延に基づいてテラヘルツ画像が作成されます。このアプローチでは、厚い部分では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します。フラウンホーファー領域でのガウス ビームの形状と動作は、ビームの周波数が低下すると電磁ビームがより発散し、解像度が低下することを示唆しています。^{[75]これは、テラヘルツ画像化システムの解像度は}走査型音響顕微鏡(SAM)よりも高いが、 X 線画像化システムよりも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、微細検査では解像度が低いという欠点があります。右の図に、電子チップの X 線画像とテラヘルツ画像を示します。^[76]明らかに、X 線の解像度はテラヘルツ画像よりも高くなりますが、X 線は電離性があり、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。^[要出典]

テラヘルツシステムの解像度の低さを克服するために、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ます。^{[77] [78]}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づける必要があるため、厚くパッケージされた物体のイメージングは​​実現できない可能性があります。解像度を上げる別の試みとして、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、励起された接合は、その接触が壊れていない限り、結果として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ます。^[79]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、厚くパッケージされた半導体の検査はやはり実行できない可能性があります。したがって、達成可能な解像度とパッケージ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ります。^[要出典]

継続的な調査により、エミッター（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ます。しかし、エミッターのサイズが大きいこと、周波数範囲が合わないこと、動作温度が望ましくないこと、また、部品、デバイス、検出器の要件が固体電子工学と光子技術の中間であることなどの欠点が残っています。^{[80] [81] [82]}

自由電子レーザーは、マイクロ波からテラヘルツ放射、X線まで、広範囲の電磁放射の誘導放出を生成できます。しかし、これらは大きくて高価であり、重要なタイミングを必要とする用途（無線通信など）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放射の他の発生源には、固体発振器（周波数逓倍による）、後進波発振器（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。

テラヘルツ領域は、無線周波数領域とレーザー光領域の間にあります。IEEE C95.1–2005 RF安全規格^[83]とANSI Z136.1–2007レーザー安全規格^[84]の両方にテラヘルツ領域への制限がありますが、両方の安全制限は外挿に基づいています。生物組織への影響は本質的に熱的であるため、従来の熱モデルで予測可能であると予想されます^{[引用が必要]}。このスペクトル領域を埋めて安全制限を検証するためのデータを収集する研究が進行中です。^{[引用が必要]}

2010年に発表され、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所の非線形研究センターのアレクサンドロフらによって実施された理論的研究^{[85]では、テラヘルツ放射が二本鎖}DNAとどのように相互作用するかを予測する数学モデルが作成され、関与する力は小さいように見えても、非線形共鳴（より強力でない一般的な共鳴よりも形成される可能性ははるかに低いが）により、テラヘルツ波が「二本鎖DNAを解き、遺伝子発現やDNA複製などのプロセスを大幅に妨害する可能性のある泡を二本鎖に生成する」可能性があることが示された。^[86]このシミュレーションの実験的検証は行われなかった。アレクサンドロフの研究に対するスワンソンの2010年の理論的処理では、合理的な物理的仮定の下では、または温度の影響が考慮される場合、DNAバブルは発生しないと結論付けている。^[87] 2003年に発表された文献研究では、テラヘルツ線の強度は皮膚の最初の500μmで1％未満に低下すると報告されているが、「現在のところ、テラヘルツ周波数における人体の組織の光学特性に関する情報はほとんどない」と強調されている。^[88]

• 遠赤外線レーザー
• 全身スキャナー
• ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
• 高電子移動度トランジスタ（HEMT）
• ピカリン
• テラヘルツ時間領域分光法
• マイクロ波アナログ信号処理

• マイルズ、ロバート E、ハリソン、ポール、リッペンス、D. 編 (2000 年 6 月)。テラヘルツ ソースとシステム。NATO 高度研究ワークショップ。NATO 科学シリーズ II。第 27 巻。ボナス城、フランス (2001 年発行) 。ISBN 978-0-7923-7096-3. LCCN  2001038180. OCLC  248547276 – Google ブックス経由。

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