関西支部だよりンを使った研究としては、テラヘルツ非線形光学効果

関西支部の 2019 年度第 2 回講演会・見学会が 8 月などの物質科学や細胞の制御などの生命科学、またテ23 日（13 時 30 分～17 時 00 分）に福井大学・遠赤外

ラヘルツ波加工や反応制御など、これまでにない新た領域 開発研究センター後援のもと、同研究センター5Fな先端応用研究も可能となりうるということである。

コロキュウム室（福井県福井市文京 3-9-1）において開この高出力ジャイロトロンに関しては、半導体レー催さ れた。今回は「遠赤外・テラヘルツ領域の研究最ザーなどは数％程度の電力－光エネルギー変換効率で前線」と題して講演と見学を行った。参加者総数 31 名あるのに対して、ジャイロトロンではカソードで発生（大学・研究所関係 14 名、会社関係 12 名、学生 5 名）した電子を高磁場が印加された真空の共振器内でらせであ った。関西支部長の横山彰一氏による開会挨拶にん状に歳差運動をさせながら、その運動エネルギーを続き 、当研究センターで行われている研究最前線に関電磁エネルギーに変換するため、電力－電磁波変換効する 2 件の講演と、独自に開発された世界最高水準の率が非常に高いことが特徴であるということである。

遠赤 外高出力光源「ジャイロトロン」や超低温物性実

ちなみに、遠赤センターの高出力ジャイロトロンに関験施 設などの見学会があった。以下に講演会のプログ

して言えば、印加磁場 8-10 テスラで 200-300GHz の電ラムを示す。

磁波出力を可能としており、その取り出し効率は何と【講演会】30-40％もあるという。また実際の出力としてはパルス

1. 「開会挨拶」

関西支部支部長

2. 「遠赤センターにおける遠赤外・テラヘルツ技術開発とその応用」
福井大学・遠赤外領域開発研究センター
谷 正彦氏
3.「福井大学における低温テラヘルツ物性研究」
福井大学・工学研究科
菊池 彦光氏
4.「閉会挨拶」
関西支部副支部長

として 300kW 以上で最大 400kW までの高出力遠赤外線電磁波の取り出しが可能である。現在、この装置を用いた研究としては、トムソン散乱を利用したプラズマ診断（プラズマ温度計測）などが行われているという。また、ジャイロトロンにおいては、印加磁場を上げることによって高周波化も可能であり、これまでに20 テスラの磁場を印加することで 1THz の発振にも成功しているという。
次にフェムト秒レーザーを利用したテラヘルツ放射

谷氏の講演では、遠 赤外 領 域開発研究センターの概要からはじまり、同センターで独自に開発を進めてきた高出力ジャイロトロンの詳細とその応用、さらにフェムト秒レーザー を使った最新のテラヘルツ放射・検出デバイスの研究開発状況が紹介された。
ま ず、遠赤外領域開発研究セン ター（遠赤センター）
は、 高出力テラヘルツ光源（ジャイロトロン）の開発とその応用などを目的として、1999 年に学内共同研究施設 として設立し、現在は“未開拓の遠赤外／テラヘルツ 領域の技術開発”、“高出 力遠赤外光源を用いた先端応用研究”、および“レーザー技術を用いた新しいテおよび検出デバイスの最先端研究が紹介された。この手法では、フェムト秒レーザーを一次光としてテラヘルツパルスを発生させるが、まず最初に、光伝導スイッチを用いたテラヘルツ波放射および検出の原理や、テラ ヘルツ時 間領域分光 法（ THz-TDS） につ いて詳 細な説明がなされた。
一般にこの THz-TDS 法では一定の繰り返し周波数のフェムト秒レーザーを光源として使用し、機械式遅延ラインの制御により時間領域波形を計測するため、測定にかなりの時間を要してしまうが、この測定時間の大幅な短縮化を図るための方法として非同期光サンプ

ラヘ ルツ波発生および検出法の研究開発とその分光・計測 への応用研究”を目標に研究を行っている。また“高 出力テラヘルツジャイロトロンの開発推進”のための 国際コンソーシアムの形成など、広く国際交流・連携活動も活発に行っているということである。
こ の施設の概要説明に引き続きテラヘルツ／遠赤外に関 する最先端の研究紹介が行わ れた。ここではまず、テラ ヘルツ／遠赤外領域電磁波の基本的性質についての説 明が行われ、この周波数領域の電磁波の代表的な応用 例としては、その特徴を生かした①物質科学・生命科 学、②セキュリティ・検査、③生体・医療、④テ
ラヘ ルツ波通信、⑤テラヘルツ波加工・反応制御などの応 用が有力であること。特に、高出力ジャイロトロ

谷正彦氏のご講演の様子

リン グ（AOS）法について の説明が行われた。一般に

ツ物性研究の紹介があった。

AOS 法では繰り返し周波数の異なる 2 台のフェムト秒

まず、福井大学と低温施設の紹介があった。福井大

レー ザーを使用してポンプ光とプローブ光の時間遅延学では最近、国際地域学部が設置され、工学部も 8 学を短 時間で変化させるため、高速な波形計測が可能で科から 5 学科に改組されるなど改革が進められている。

ある が、その繰り返し周波数が各レーザー光源で固定

一方、工学部附属超低温物性実験施設は地方大学としされ ているため測定時間における無駄が大きく、かつては１、２の伝統を誇り、2014 年にヘリウム液化機更時間 分解能もそれほど得られないという欠点がある。

新を済ませるなど現在も高いパフォーマンスを保ってこの ため谷らは繰り返し周波数可変フェムト秒レーザいる。昔は液体窒素も製造していたとのことである。

ーを用いた新規な AOS 法の開発を行っている。この方次 に 、 3He- 4 He 希 釈 冷 凍 機 を 用 い た 超 低 温 高 周 波法では 1 台のレーザーを用いて、全電気制御にて振動ESR/NMR 二重磁気共鳴装置の開発について紹介があっ

フリーの状態で繰り返しの制御を行うため、従来のた。物性物理学では超低温域の物性研究が重要でありAOS に比較してさらなる測定の高速化や効率化が可能

量子臨界状態の解明などテーマが尽きないが、最近でにな るということである。この方法で実際にシリコンは量子コンピューティングへの応用など実用レベルでか ら の テ ラ ヘ ル ツ 電 磁 波 放 射 測 定 を し た 結 果 は 、 20-超低温開拓への注目が集まっている。この中で核スピ100GHz の帯域であるが、パワースペクトルで 10 4 程度ンと電子スピンを制御し高感度で検出するため核磁気の SN 比を達成している。この帯域が低周波に制限さ共鳴（NMR）と電子スピン共鳴（ESR）を組み合 わせれる のはレーザーのタイミングジッタによるとのことた超低温クライオスタット開発がすすめられた。このであ るが、将来的にこれらも解決されてより高周波領温度域ではわずかな熱流入が温度上昇をもたらすため域のスペクトル解析も可能になることを期待したい。

きわめて低いパワーの精密な電波分光技術が必要であこ のあと、非線形光学素子を用いたテラヘルツ波のり、金薄膜を用いた Fabry-Pérot 共振器などの開発を行発生 や電気光学素子を用いた検出技術や、パルス面傾ってきた。この共振器は熱収縮でミラー間の距離が変斜法 を用いた高強度テラヘルツ波の発生法について、化するため、超低温領域で使用可能なピエゾアクチュ

また 最近開発された新たなテラヘルツデバイスとしてエータを用いて可動式とし、それにより共振周波数も金属 スピントロニクステラヘルツ放射素子に関する報可変になっている。この装置を用いて銅を含む有機化告があった。

合物 Cu(C4H4 N2)(NO 2)2 の ESR 測定を行い、７K 以下でこの金属スピントロニクス素子では強磁性体金属2 つに分裂した ESR スペクトルの温度依存性を得た。

（鉄 など）表面に非磁性金属（白金など）をナノメー分裂したスペクトルは温度低下とともに直線的に増加

トル オーダーの厚みで蒸着した二重層を持つ。これにし、この温度域の温度マーカーとして有用とのことで磁場 をかけると強磁性体内部に生成されるアップおよある。超低温域で興味深い現象を示す物質の ESR 測定

びダ ウンスピンの数が異なり、ここにフェムト秒レーが可能となり、新しい発見が期待される。

ザー を照射することによって励起されるスピンが拡散

次に、ジャイロトロンを用いた高周波パルス ESR シによ って非磁性金属内に流れ込む。このとき生じる逆ステムの開発について紹介があった。通常の ESR は周スピ ンホール効果によってスピン流が自由電子に変換波数一定のミリ波を試料に照射し、磁場掃引により共され 、その自由電子の過渡的な流れによって金属内に鳴スペクトルを得る。一方、パルス法は一定の共鳴磁おい てもテラヘルツ電磁波が発生するということであ場下で所定の短時間ミリ波を試料に照射し、磁化の緩る。 この素子のメリットとしては、磁性体金属内のスピン 励起によるため、励起レーザーの波長にほとんど関係 なくテラヘルツ電磁波の発生が可能であるということ で、光伝導スイッチと比べて長所といえるであろう。また 50 フェムト秒程度のパルスレーザーを用いれば 20－30THz 程度の帯域を持つテラヘルツ電磁の発生が可能であることである。
最後に遠赤 センターで行われている研究として、テラヘ ルツ波を使った癌細胞の分光イメージング、ジャイロ トロンを用いた高純度アルミナの材料プロセッシ
ング 他、個々の最先端の研究成果について報告があった。
菊池氏の講 演では、福井大学における低温テラヘル菊池彦光氏のご講演の質疑応答の様子

和過程を得る手法で、高分解能 NMR、MRI と同じ原理

遠赤外領域開発研究センターでは、0.2～0.3THz および手法 である。スピンエコー現象を利用して詳細な緩和

1THz 発振用ジャイロトロンをはじめ、フェムト秒レーパラ メータを求め、フーリエ変換分光法によって高分ザー光源を使用する各種テラヘルツ分光装置、遠赤外解能 データの取得が可能になる。ただし、一般に電子分子気体レーザー装置などの見学を行い、また超低温

スピ ンの緩和時間は核スピンに比べ３ケタ速く、その物性実験施設では、我が国に数台しか無いというミリため 高出力かつ短時間の照射パルスが必要であり、パ波・サブミリ波ネットワークアナライザーをはじめ、ルス化が困難であった。これに対して Si ウエハーにレ寒剤供給設備や極低温物性試験装置（ESR 分光装置）

ーザ ー光を当てるとホットエレクトロンが形成されての見学を行った。いずれの見学においても見学者から高周 波を反射するという、いわゆる光駆動シャッターの活発な質問が飛び交い、とても有意義な見学会を開を利 用してジャイロトロンから出てくる高周波を短パ催することができた。

ルス化することにより、パルス ESR システムが開発された。標準物質の BOPA ラジカルを用いて ESR 測定を行い、自由誘導減衰（FID）信号の検出に成功した。今後の進展が楽しみである。
最後に、低 温磁性研究に関する発表があった。三角格子 反強磁性体などで見られる電子スピン配列の不安定性 をスピンフラストレーションと呼び、多彩な磁性を示 すため盛んに研究されている。結晶構造に依存するた めスピンフラストレーションを示す物質は限られるが 、天然鉱物の中に典型物質が存在することが明らかに なった。菊池氏は銅を含む天然鉱物に着目し、日本画の顔料として知られる藍銅鉱（アズライト、
Cu 3(CO 3)2(OH)2 ） 及 び 孔 雀 石 （ マ ラ カ イ ト ） に よ く 似

超低温物性実験施設・極低温物性試験装置の見学の様子

た擬孔雀石（Cu 5(PO4)2(OH) 4 ）の低温磁性研究を行った。

講演会・見学会終了後、有志 11 名により恒例の懇親

アズ ライトではフラストレーションを持つ量子スピン会が JR 福井駅前の居酒屋で開催され、新鮮な海の幸と系に特有な 1/3 磁化プラトーと呼ばれる磁性を観測し美酒を肴に会員相互の交流を深めた。

た。 擬孔雀石では極低温強磁場下で多段の磁化の飛び

今回は、関西圏外の福井大学での開催というこ とで、を見 出した。いずれも量子スピン系を理解するためのかなりチャレンジングな講演会・見学会であったが、貴重 なデータである。天然鉱物の中には不純物の少な参加者数も 31 名と大変盛況な会であった。

い極 めて純良な結晶があり、また容易に人工合成がで最後に、今回の講演会・見学会の開催にあたり、場

きな いものがある。それらの膨大な研究データが蓄積所のご提供および見学の企画をして頂きました福井大

され ているが、物理的性質については研究されていな

学遠赤外領域開発センターの皆様、話題のご提供を頂

いも のが多くある。新物質探索のヒントになるのではきました講師の先生方にこの場をお借りして厚くお礼ないかとのことで活発な質疑応答があった。

を申し上げます。

講演会終了 後、2 班に分かれて施設見学会を行った。

遠赤センター・テラヘルツ時間領域分光装置の見学の様子（大阪大学

村上博成、大阪府立大学野口悟）