おつ じ 魔法のひかり たい いち 2 “て・ら・へ・る・つ” “THz” 〜物質の五感を操り，機能を紡ぐ〜 尾辻 泰⼀ 東北⼤学 電気通信研究所 東北⼤学 ⼯学部 電気情報物理⼯学科 オープンキャンパス 模擬授業 ⻘葉⼭東キャンパス, 101講義棟, 29 July, 2015. 3 Research collaborations Laboratory members Prof. T. Otsuji Assist. Prof. A. Satou Assoc. Prof. T. Suemitsu Dr. A. Dobroiu Assoc. Prof. Visit. Prof. S. Boubanga Tombet V. Ryzhii Dr. T. Watanabe Ms. D. Yadav ■ International Dr. Wojciech KNAP, Drs. Dominique COQUILLAT, Prof. Vyacheslav POPOV, Dr. Alexander A. Dubinov Dr. Yahya MEZIANI, Prof. Vladimir MITIN, Ms. Silvia CHAN, Prof. Michael Shur, ■ Domestic Prof. Maxim RYZHII, Prof. Maki SUEMITS, Dr. Hirokazu FUKIDOME, Prof. Eiichi SANO, Dr. Yuye WANG, Dr. Hiroaki MINAMIDE, Prof. Hiromasa ITO, UM‐CNRS, France UM‐CNRS, France KIREE, RAS, Russia IPM, RAS, Russia Univ. Salamanca, Spain Univ. Buffalo, USA Univ. Pennsylvania, USA RPI, USA Univ. Aizu Tohoku Univ. Tohoku Univ. Hokkaido Univ. RIKEN RIKEN RIKEN ⼋⽊・宇⽥アンテナ 4 6 テラヘルツとは？ 最先端半導体ナノ・スピン集積加⼯実験施設 テラ： Tera : 1,000,000,000,000 (1 x 1012, １兆) ヘルツ： Hz (１秒間あたりの振動数) THz THz マイクロ波 InGaAs/InAlAs/InP HEMT 赤外 ミリ波 可視 紫外 Ｘ線 280μm 7 テラヘルツ波でイメージングできる！ 8 指紋スペクトル：物質固有の振動モード Y. Tsuda et al., JOSA B 26, A52 (2009). 吸光度 (任意単位) M.C. Nuss, IEEE Device & Circuits 25, 1996. ⽔蒸気 (H2O) 周波数 (THz) 7 テラヘルツ波で宇宙の起源を探る！ 9 10 アタカマ電波天⽂台 ALMA望遠鏡 http://alma.mtk.nao.ac.jp/j/ 8K スーパーハイビジョンTV ■ 東京オリンピック 2020 ■ ⾛査線数 >4000本 ■ ⾮圧縮伝送レート: 72Gbps ■ 搬送周波数: ~1000GHz 48 ~ 96 Gbps 9 物質 と 電磁波 との 接点 11 なぜ “テラヘルツ波” なの？ 固体光源素⼦の出⼒電⼒ [ W ] 100 10 1 100m IMPATT ダイオード トランジスタ MMIC 10m GUNN ダイオード 1m 100 10 THz ギャップ p-Ge レーザ RTD Target QCL ☞ 鉛塩レーザ 逓倍器 1 10 周波数 [ THz ] ⿊体輻射： I ( , T ) フォトミキサ (UTC-PD) TUNNETT ダイオード 1 0.01 0.1 電⼦輸送 プランクの法則 (物質波)： 熱エネルギー： QCL THz 後退波管 p-Ge レーザ III-V半導体 レーザ 室温下では，どんな物質も テラヘルツ波を放射している！ 100 1000 電⼦遷移 2 2 c2 ハイゼンベルグの 不確定性原理： h h e kT 1 ࢎ ࣊ ⿊体輻射スペクトル 輻射強度 (W/cm2/μm) 11 (出展： 総務省テラヘルツ動向調査委員会, 2012. (発表者にてデータ更新を含む）) 12 273 2h 3 h c 2 (e kT 1) 波⻑ (μm) 30 THz 3 THz 電⼦の散乱 と 結晶格⼦の振動 Si原⼦の配列 13 電⼦の分布 光と物質との相互作⽤ 物質がテラヘルツ領域で振動する． (東北⼤・多元研・寺内教授Gの成果) ということは Si テラヘルツ電磁波 と 物質が 互いに 振動しあう ということ． 電⼦ ということは 熱による Si原⼦の振動： 電⼦の 散乱寿命：電⼦ ⾚外線領域 から テラヘルツ領域 ~10兆分の1秒 テラヘルツ輻射の源 電⼦ 光と物質の相互作⽤を利⽤した テラヘルツ波の発⽣ 15 光で結晶格⼦の振動を引き起こすと？ 格⼦振動に対応する別の光が⽣成！ テラヘルツ波のエネルギー と 物質の振動エネルギー との間で 互いに 受け渡しができる ということ ! テーブルトップサイズのテラヘルツ光源！ kp ki kT Sir C. V. Raman Novel Prize in Physics in 1930 運動量保存則 T テラヘルツ光 p 1.06m ポンプ光 エネルギー保存則 14 ~100m i ⾮線形光学 結晶 (2) アイドラ光 ~1.07m 16 17 レーザーとは 〜コヒーレント光源 コ ヒ ーレ ン ト な 光源の誕生 18 レーザーの動作原理 (1960, 1962) 4th p -InA lA s 3rd 絶え 間な く In Ga A s 単一の波長で n-InA lA s ε = hν 一定方向に n -In A lA s 一定の位相で 発光 In Ga A s p -In A lA s ⼩さすぎて無理！ 2nd ε = 4.2 meV @ ν = 1 THz Ground 18 19 20 V. Ryzhii, M. Ryzhii, T. Otsuji, JAP 101, 083114 (2007). A. Satou, F.T. Vasko, V. Ryzhii, PRB 78, 115431 (2008). A. Geim K. Novoselov Novel Prize in Physics in 2010 - ■六員環構造の単層炭素原⼦シート ε ■電⼦軌道間 ε = vFp Dirac point に ギャップ がない！！ ■電⼦も正孔も 質量が ゼロ ！！ THz そんな材料，⾒たことない！ ■極限的な キャリア輸送特性！！ シリコン中の電⼦のよりも 1000倍 速い！ ■ダイアモンドをも凌ぐ極限的な熱伝導特性 そんな材料，⾒たことない！ 電⼦のバンド構造 ポンピング ■極限的に強く、軽く、しなやかな機械特性 そんな材料，⾒たことない！ ポンピング + - THz THz THz + 21 22 A. Satou et al., JAP 113, 143108 (2013). T. Otsuji et al., J. Phys. D 45, 303001 (2012). ポンピング 電⼦間の散乱 による 擬平衡化 THz 結晶格⼦の散乱 による エネルギー緩和 反転分布 ! + ポンピング ~0.2 ピコ秒 2~3 ピコ秒 エネルギーの流れ: ⾚外光から電⼦へ 電⼦から格⼦へ 電⼦からTHz光へ 23 図1 光励起の誘導放出までは確認 東北⼤学 尾辻研究室が確認したグラフェンからのテラヘルツ波・誘導放出の原理（a）と、検出⽤素⼦の構造 （b）。（a）は4準位系の誘導放出となる。（b）のCdTeは、⾮線形光学結晶として働く。図は、尾辻研究室 22 の資料を基に本誌が作成。 プラズモンの巨⼤利得増強作⽤を実証！ 24 T. Watanabe et al., New J. Phys. 15, 075003 (2013). S. Boubanga Tombet et al., PRB 85, 035443 (2012). A. Dubinov, Y. Aleshkin, V. Mitin, T. Otsuji, V. Ryzhii, JPCM 23, 145302 (2011). 数値解析 電⼦よりも ずっと速いよ！ 光よりも ずっと遅いよ！ 実験結果 25 まとめ グラフェンTHzレーザーの実現をめざして！ T. Watanabe, unpublished. V. Ryzhii, I. Semenikhin, M. Ryzhii, D. Svintsov, V. Vyurkov, A. Satou, and T. Otsuji, JAP 113, 244505 (2013). • テラヘルツ波は，地球上に存在するあらゆる物質に 作⽤し，その物質の性質を調べたり，他の “ひかり” を増幅したり，その⾊を変えたり，さまざまな機能を もたらします． • 物質の電気的・磁気的・光学的・機械的・熱的性質を “物質の五感” と称すれば， テラヘルツ波は， 「物質の五感を操り，機能を紡ぐ魔法のひかり」 と呼ぶことができます． 光学的 磁気的 電気的 熱的 THz 機械的 ⼤学で なすべきこと ■Leave the beaten track occasionally to dive into the woods. You’ll be certain to find something that you have never seen before. ⼤切なこと (Alexander Graham Bell ) 科学技術にたずさわる ʻひとʼ として ⾃然とは 科学とは ⾃然界には全く想像もつかないほどの様々な 現象が⽣じます． その現象を科学的に表現するということ は，事象の抽象化に他なりません． ⼀つの現象でも，⾒る⼈と現象の相対的な 位置や⼒の関係によって全く⾒え⽅が異なり ます． そこには，必ず近似や境界条件といった 仮定が⼊ります． 私達が欲する意志をその科学的な表現の 中に織り込めてはじめて，その表現は 意味を成します． つまり，使えるものとなります． 全く相反する現象も，実は同⼀のもので， ⾒え⽅が異なるだけであったりもします． ⼈間の英智とは できると思って作ったものでも， できないものはやはりできません． おごりのない誠実さと，不断の努⼒ を以て，その時点で最良と信ずる道 を選択する他はありません． 悪意としてのごまかしは，必ずどこかで ほころびが⽣じます． この誠実さこそがそのひとの失敗を 救ってくれる唯⼀の⼿だてです． 救われるとは，ʼ⾃分ʼ を許せる，という ことと，ʼひとʼ から許される，という ことです． ⾃らの⾏動規範が⽴ったなら，⾃信を 持って明るく前に進んで下さい． ⾃然の神様は決して嘘をつきません． 皆さんの⼊学を， ⼼待ちにしています! ⼤切なこと ⼈知の及ばぬ⾃然現象では、悪意がなく てもタイタニック現象が⽣じます．
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