この装置は「Tレイ・ビジョン」と、より優れた無線通信を可能にするかもしれません。
マイクロ波と可視光の中間にある電磁波領域にはテラヘルツ放射があり、「Tレイ・ビジョン」の可能性を秘めています。
テラヘルツ波は、マイクロ波より高く、赤外線や可視光より低い周波数を持ちます。光の多くは大半の物質に遮られますが、テラヘルツ波はマイクロ波と同様に物質を通り抜けることができます。レーザーに加工された場合、テラヘルツ波は「Tレイ・ビジョン」を可能にし、衣服、ブックカバー、その他の薄い素材を透過して見ることができるかもしれません。このような技術は、マイクロ波よりも鮮明で高解像度の画像を生成でき、X線よりもはるかに安全である可能性があります。
例えば空港の保安検査場や医療画像診断施設でTレイ装置が見られないのは、テラヘルツ放射の生成には非常に大型でかさばる装置が必要で、その多くが極低温で動作し、単一の周波数でしかテラヘルツ放射を生成できないためです。さまざまな物質を透過させるには広範囲の周波数が必要であるため、これでは実用性に乏しいのです。
今回、MIT、ハーバード大学、米陸軍の研究者らは、靴箱ほどの大きさのコンパクトな装置を開発しました。この装置は室温で動作し、周波数を広範囲にわたって調整可能なテラヘルツレーザーを生成します。装置は市販の既製部品で構成されており、亜酸化窒素（一般に笑気ガスとして知られる）の分子のエネルギーを高めることでテラヘルツ波を生成するように設計されています。
MITの数学教授であるスティーブン・ジョンソン氏は、Tレイ・ビジョンに加えて、テラヘルツ波は無線通信の一形態としても利用できると述べています。例えばレーダーよりも高い帯域幅で情報を伝送でき、研究グループの装置を用いて科学者が調整できる距離にわたって通信が可能です。
「テラヘルツ周波数を調整することで、波が空気中を吸収されるまでどれだけ遠くまで伝わるかを選択でき、メートルからキロメートルまで制御できます。これにより、誰があなたのテラヘルツ通信を『聞く』ことができるか、またはあなたのテラヘルツレーダーで『見る』ことができるかを正確に制御できます」とジョンソン氏は述べています。「ラジオのダイヤルを変えるように、テラヘルツ源を容易に調整できることは、無線通信、レーダー、分光学における新たな応用を開拓するうえで極めて重要です。」
ジョンソン氏と同僚らは本日、研究成果を学術誌Scienceに発表しました。共著者には、MITのポスドク研究員であるファン・ワン氏、ハーバード大学のポール・シュヴァリエ氏、アルマン・アミルザン氏、マルコ・ピッカルド氏、フェデリコ・カパッソ氏、そして米陸軍戦闘能力開発司令部航空・ミサイルセンターのヘンリー・エヴェリット氏が名を連ねています。
分子の余裕
1970年代以降、科学者らは分子気体レーザーを用いてテラヘルツ波を生成する実験を行ってきました。これは、高出力の赤外線レーザーを、気体（通常はフッ化メチル）で満たされた大きな管に照射する装置です。気体の分子は振動し、やがて回転します。回転する分子はあるエネルギー準位から次の準位へと遷移でき、その差が余剰エネルギーとして放出され、テラヘルツ域の光子の形をとります。空洞内で光子が蓄積されると、テラヘルツレーザーが生成されます。
研究者らによると、これらのガスレーザーの設計改善は、信頼性の低い理論モデルによって妨げられてきました。高いガス圧の小さな空洞では、モデルは一定の圧力を超えると分子が「窮屈」になりすぎて回転しテラヘルツ波を放射できなくなると予測していました。このような理由もあり、テラヘルツガスレーザーは通常、メートル単位の長さの空洞と大型の赤外線レーザーを用いていました。
しかし1980年代、エヴェリット氏は、従来の装置よりはるかに小型のガスレーザーを用い、モデルが可能とした圧力よりはるかに高い圧力で、自身の研究室でテラヘルツ波を生成できることを発見しました。この食い違いは完全には説明されないまま、テラヘルツガスレーザーの研究は他の手法に取って代わられ、次第に顧みられなくなりました。
数年前、MITのInstitute for Soldier Nanotechnologiesの一環として二人が別の研究で協力していた際、エヴェリット氏はこの理論上の謎をジョンソン氏に伝えました。ジョンソン氏とワン氏はエヴェリット氏とともにこの課題に取り組み、最終的に、分子気体レーザー空洞内の気体の挙動を記述する新たな数学的理論を構築しました。この理論は、非常に小さく高圧の空洞からでもテラヘルツ波が放射されうることも、うまく説明しました。
ジョンソン氏によると、気体分子は赤外線によるポンピングに応じて複数の周波数と回転速度で振動しうるものの、従来の理論はこれら多くの振動状態を無視し、テラヘルツ波の生成に最終的に重要なのは一部の振動だけだと想定していました。空洞が小さすぎる場合、従来の理論は、入射する赤外線レーザーに応じて振動する分子同士がより頻繁に衝突し、テラヘルツ波を生成するためにさらにエネルギーを蓄えて回転させるのではなく、エネルギーを放出してしまうと示唆していました。
これに対し、新しいモデルでは、単一の空洞内で数百万の分子群にわたる数千の関連する振動状態と回転状態を追跡しました。この大規模な問題をノートパソコンで扱えるようにするため、新たな計算上の工夫が用いられました。そのうえで、空洞内での位置と向きに応じて、これらの分子が入射する赤外線にどのように反応するかを解析しました。
「人々が切り捨ててきたこれら他の振動状態をすべて含めると、それらが緩衝の役割を果たすことがわかりました」とジョンソン氏は述べています。「単純なモデルでは、分子は回転していますが、他の分子とぶつかるとすべてのエネルギーを失ってしまいます。これらの他の状態をすべて含めると、そのようなことは起こらなくなります。こうした衝突によってエネルギーが他の振動状態へ移動し、回転を続けテラヘルツ波を生成し続けるための、いわば余裕が生まれるのです。」
笑気、出力アップ
チームは、新しいモデルが数十年前にエヴェリット氏が観測した現象を正確に予測することを確認した後、ハーバード大学のカパッソ氏のグループと協力し、このモデルと新しい気体、そして新型の赤外線レーザーを組み合わせることで、新しいタイプのコンパクトなテラヘルツ発生装置を設計しました。
赤外線源には、研究者らは量子カスケードレーザー（QCL）を使用しました。これは比較的新しいタイプのレーザーで、コンパクトかつ波長が調整可能です。
「ダイヤルを回すと入力レーザーの周波数が変わります。それを利用して、出力されるテラヘルツ波の周波数も変えられるのではないかと期待していました」とジョンソン氏は述べています。
研究者らは、QCLの開発における先駆者であるカパッソ氏と協力しました。カパッソ氏は、理論が予測した出力範囲を持ち、ペンほどの大きさの空洞（従来の空洞の約1/1,000の大きさ）で機能するレーザーを提供しました。その後、研究者らは励起させる気体を探しました。
チームは気体のライブラリを検索し、赤外線に応じて特定の方法で回転することが知られている気体を特定しました。最終的に、実験に最適で入手しやすい候補として、亜酸化窒素（笑気ガス）が選ばれました。
研究者らは実験用グレードの亜酸化窒素を注文し、それをペンほどの大きさの空洞に注入しました。QCLからの赤外線を空洞に照射したところ、テラヘルツレーザーを生成できることがわかりました。QCLを調整すると、テラヘルツ波の周波数も広範囲にわたって変化しました。
「これらの実証は、連続的に調整可能なQCLで励起された場合に、その全回転状態にわたって広範囲に調整可能な、テラヘルツ分子レーザー源という普遍的概念を裏付けるものです」とワン氏は述べています。
これらの初期実験以降、研究者らは数学モデルを拡張し、一酸化炭素やアンモニアなど、さまざまな他の気体分子も対象に含めました。これにより、科学者は周波数と調整範囲が異なるさまざまなテラヘルツ発生の選択肢を利用できるようになり、各気体に適合したQCLと組み合わせることができます。研究グループの理論的ツールは、科学者が異なる用途に応じて空洞設計を最適化することも可能にします。現在、より集束したビームとより高い出力に向けて取り組んでおり、商用開発も視野に入っています。
ジョンソン氏によると、科学者は研究グループの数学モデルを参照して、他の気体や実験パラメーターを用いた、新しいコンパクトで調整可能なテラヘルツレーザーを設計できるとのことです。
「これらのガスレーザーは長い間、古い技術と見なされ、巨大で低出力、調整不可能なものだと人々は思い込んでいたため、他のテラヘルツ源に目を向けていました」とジョンソン氏は述べています。「今では、小型で調整可能、しかもはるかに効率的にできると言えます。これをバックパックや車に載せて、無線通信や高解像度画像診断に使うこともできます。車にサイクロトロンを積みたくはないでしょうから。」
本研究は、米陸軍研究所および全米科学財団の支援を一部受けて行われました。
