光にはさまざまな周波数があり、そのうち人間に見えるのはごく一部にすぎません。携帯電話で使われる目に見えない低周波の電波と、赤外光に関係する高周波との間には、電磁スペクトルのかなり広い領域があり、テラヘルツ波、あるいはサブミリ波と呼ばれる波が占めています。こうした波の活用は、医療画像から天文学まで、幅広い分野で数多くの新たな応用につながる可能性があります。しかし、テラヘルツ波は実験室で発生させ、研究することが難しいことが分かっています。今回、カリフォルニア工科大学（Caltech）の化学者らが、広いスペクトル範囲にわたってテラヘルツ波を極めて高い精度で発生・検出する装置を開発しました。テラヘルツ波を測定する比類のないツールとして活用できます。
この新装置は、周波数コムとして知られる装置の一例です。超高速パルスレーザー（発振器）を使い、櫛の歯のようにスペクトル全体に均等に並ぶ、固有の放射周波数を数千個生成します。科学者はそれらを物差しのように使い、櫛の歯を目盛りに見立てて光の周波数を非常に正確に測定できます。1990年代に開発された最初の周波数コムにより、その開発者であるJILAのジョン・ホールと、マックス・プランク量子光学研究所およびミュンヘン・ルートヴィヒ・マクシミリアン大学のテオドール・ヘンシュは、2005年のノーベル物理学賞を受賞しました。スペクトルの可視光領域で生まれたこれらのコムは、科学者による光の測定方法に革命をもたらしました。たとえば、光原子時計として知られる、今日最も正確な時計の開発につながっています。
カリフォルニア工科大学のチームは、市販のレーザーと光学機器を独自に製作した電子回路と組み合わせ、この技術をテラヘルツ領域に拡張しました。これにより、スペクトル範囲の広さと精度をかつてない形で両立させたテラヘルツ周波数コムを作り出しました。数千個の「歯」は、テラヘルツ領域の大部分（0.15～2.4 THz）にわたって均等に並んでおり、科学者はこれらすべての周波数で、試料の吸収を同時に測定できます。
この研究について記した論文は、学術誌「 フィジカル・レビュー・レターズ 」のオンライン版に掲載され、4月24日号に掲載予定です。筆頭著者は、カリフォルニア工科大学の宇宙化学・惑星科学教授で化学教授でもある ジェフリー・A・ブレイクの研究室に所属する大学院生で、全米科学財団フェローのイアン・フィネランです。
ブレイクは、一般的なラジオチューナーと対比しながら、この新装置の有用性を説明します。「ラジオ波の場合、ほとんどのチューナーでは、一度に1つの放送局、つまり周波数に合わせて聴くことしかできません」と彼は述べます。「一方、私たちのテラヘルツ方式では、1万を超える周波数を一度に分離して処理できます。近い将来、この数を10万超に引き上げたいと考えています。」
これは重要なことです。スペクトルのテラヘルツ領域には、膨大な情報が詰まっているからです。宇宙にある、約10ケルビン（摂氏マイナス263度）より温かいものはすべて、テラヘルツ放射を発します。このような極低温でも、分子は空間中で回転し、テラヘルツ領域に固有の指紋を残します。カリフォルニア工科大学のサブミリ波天文台、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、ハーシェル宇宙望遠鏡などを使う天文学者は、テラヘルツ周波数で星の誕生領域や惑星形成円盤を観測し、そうした化学的な指紋を探しています。そこにどのような分子が存在し、惑星系で利用可能なのかを明らかにするためです。しかし、空のごく一部分だけでも、異なる分子25種以上のシグナルが見つかることは珍しくありません。
このように入り組んだテラヘルツ信号の中から特定の分子を確実に特定するには、科学者はまず、さまざまな分子に対応する化学的な指紋を正確に測定する必要があります。そのためには、感度の高い検出器に加えて、精密なテラヘルツ波源が必要です。テラヘルツ周波数コムは、実験室でこうした測定を行うのに理想的です。
「テラヘルツ光で宇宙を見上げると、さまざまな分子の回転運動に関係する線が、森のように見えます」とフィネランは述べます。「この線を解き明かし理解するには、実験室で森の中を一点ずつ、一つの分子ずつ進まなければならず、難しい作業です。何週間もかかることがあり、多くの異なる装置を使う必要もあります。私たちが開発したこのテラヘルツコムは、森全体を一度に分析する方法なのです。」
装置が均等な間隔で並ぶ数万個の周波数を生成すると、波は試料を通過します。論文では、研究者らは水蒸気を例に挙げています。次に装置は、光のうち試料を透過するものと、コムの各歯にあたる周波数で分子に吸収されるものを測定します。検出された歯が短くなれば、試料がその特定のテラヘルツ波を吸収したことを示します。基準の高さのまま通過すれば、試料はその周波数を吸収しなかったということです。
「物差しの目盛り一つひとつの位置を約9桁の精度で正確に把握しているので、これを診断ツールとして使い、周波数を非常に高い精度で測定できます」とフィネランは述べます。「宇宙を観測するときには、実験室でこうした極めて正確な測定を行っておくことが重要です。」
宇宙にある分子を特定する天体化学への応用に加え、テラヘルツコムは分子間の基本的な相互作用の研究にも役立ちます。「テラヘルツは特別な領域です。生命にとって重要な大きな分子の内部振動だけでなく、水のような液体の挙動を左右する、異なる分子間の振動も直接調べられる唯一の方法と言えるからです」とブレイクは述べます。
論文「 10年にわたる高精度テラヘルツ周波数コム 」の共著者には、現カリフォルニア工科大学大学院生のジェイコブ・グッド、P・ブランドン・キャロル、マルコ・アロディのほか、最近修了した大学院生のダニエル・ホランド（PhD ’14）が含まれます。この研究は全米科学財団の助成を受けました。
この記事は、 カリフォルニア工科大学との協力により公開されています。記事の掲載は、世界経済フォーラムがその見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：カリフォルニア工科大学のシニア・サイエンス・ライター、キム・フェセンマイヤー。
画像：鮮やかな緑色のレーザーのイラスト。ロイター。
