ウィスカー結晶を用いたテラヘルツ発振素子を開発：ウィスカー結晶の発振特性も解明

京都大学と物質材料研究機構（NIMS）の研究グループは、ビスマス系高温超伝導ウィスカー結晶を用いたテラヘルツ発振素子の開発に成功した。同時に、ウィスカー結晶の発振特性も明らかにした。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

超伝導テラヘルツ光源の作製工程を大幅に短縮、適切な材料選択も可能に

　京都大学大学院工学研究科の掛谷一弘准教授と物質材料研究機構（NIMS）の齋藤嘉人NIMSジュニア研究員および、高野義彦MANA主任研究者による研究グループは2022年11月、ビスマス系高温超伝導ウィスカー結晶を用いたテラヘルツ発振素子の開発に成功したと発表した。同時に、ウィスカー結晶の発振特性も明らかにした。

　8K動画など大容量のデータを高速に通信するため、次世代高速無線通信ではテラヘルツ波帯の応用が検討されている。こうした中で注目されているのが、ビスマス系高温超伝導体を用いた超伝導テラヘルツ光源である。ただ、平板状単結晶を用いる従来の超伝導テラヘルツ光源は、単結晶の育成から素子作製までに1週間以上を要するなど、課題もあった。

　研究グループは、一定の条件下で高い結晶性を有し成長速度も速い、針状のウィスカー結晶に着目してきた。既に、ウィスカー結晶を用いた素子でテラヘルツ発振を確認している。しかし、発振周波数を決めるうえで重要となるウィスカー結晶の屈折率が明らかになっていないため、これまでは放射特性を予測することが難しかったという。

ビスマス系超伝導体ウィスカー結晶を用いた超伝導テラヘルツ光源のイメージ図 出所：京都大学

　そこで今回、素子の発振モードを特定し、ウィスカー結晶に固有の屈折率を求めた。この結果、これまで用いられてきた平板状単結晶とは異なることが分かった。また、三次元電磁場シミュレーションによって、素子の空洞共振周波数から、わずかにずれた周波数でも、比較的強い電磁波の放射が起きることを確認した。この現象は、「単一の素子が単色かつコヒーレントなテラヘルツ波を広い周波数範囲で発振する」という、超伝導テラヘルツ発振素子の特長を示すものだという。

上図は2枚のビスマス系高温超伝導体ウィスカー結晶を用い作成した素子の電子顕微鏡像。下図は高温超伝導ウィスカー素子からテラヘルツ波が放射されることを示した偏波解析計算結果のスナップショット 出所：京都大学

　今回の研究成果を活用すれば、超伝導テラヘルツ光源の作製プロセスを大幅に短縮することが可能となる。しかも、化学組成の違いで結晶の屈折率が異なるため、適切に材料を選択すれば、テラヘルツ発振の周波数を大幅に拡大することができるという。