慶應理工の光物性 テラヘルツテクノロジーが切り拓く、新しい物性の観察の制御

「光」で「物」の「性質」を調べ、
その性質をあやつる

私たち人類は、古くから周波数（振動数）の異なるさまざまな光を使って物を観察したり、物の性質を変えたり、あるいは光のエネルギーを電気エネルギーに変えたりすることで、生活に役立ててきた。そうしたなか、これまで盛んに利用されてきた「可視光」よりも波長の長い「テラヘルツ光」が注目されている。テラヘルツ光を用いた研究を手掛ける渡邉紳一准教授に、研究室で取り組んでいるテラヘルツテクノロジーの最先端について話を聞いた。

物の性質を調べたり、その性質を変えたりする際に不可欠な光。光を利用した研究は、テクノロジーの進化とともに発展を遂げ、現在では宇宙の起源といった人類最大の謎の解明にまで貢献している。そうした道具としての光のなかでも、近年、とくに脚光を浴びているのがテラヘルツ（テラは 10 の 12 乗）光だ。このテラヘルツ光を利用した研究を手掛ける渡邉さんは、その利点を次のように説明する。
「テラヘルツ光は、振動数が可視光の1/100 〜 1/1000 であるため、きわめて波長の長い光です。光というのは、X 線のように振動数が高い（波長が短い）光のほうがよりエネルギーが高くなることから、テラヘルツ光はエネルギーが低い光ということになります。X 線に比べるとエネルギーがきわめて低いので、それだけ人体に与える影響が少なく、安全だとして期待されているのです。
また、物の性質を調べるというのは、言い換えれば物のエネルギー構造を調べるということ。超伝導のように低エネルギー状態にあるものを光で調べようとすると、テラヘルツ光でしか直接見ることができません。つまり、光の種類によって、それぞれ得意分野があるということですね」。
さらに、テラヘルツ光が得意とするのが、可視光を透過しない被服やプラスチックパッケージ、紙を通した観察。セキュリティ検査や半導体製品検査、建物などの非破壊検査、さらには医療・創薬など、あらゆる産業分野でその利用が期待されている。ただし、水で吸収されてしまうことと、最近までこの光を効率よく発生することが難しかったことから、未開拓の帯域でもあった。
「テラヘルツ光が興味深いのは、ゆっくり振動するため、空気中を飛んでいる波の形が生で見えること。私の興味は物の性質を見たり、操作したりすることにありますが、光が物にぶつかった瞬間に何が起こっているのか、その相互作用を直接見てとることができるというのはじつに面白いですね。また、振動数があまりに低いため、電波に近い性質を併せもっており、物質に電極をつけることなく、電場や磁場をかけるのと類似した効果を与えられる点も魅力です」。
電波のように多くの物質を透過する性質と、可視光のように直進する性質を両方併せもつことで、計測対象に広がりがあることが、このテラヘルツ光の最大の特徴といえる。

そうしたなか、現在、渡邉さんの研究室で手掛けるのが、「テラヘルツ時間領域分光法」という手法である。これは、波長の長い「テラヘルツ光」と、波長の短い「近赤外光パルス」を「非線形光学結晶」と呼ばれる透明な物質中でミックスさせることによって、まるでオシロスコープ（電気信号の挙動を観察する波形測定器）のように、テラヘルツ光の波の形がわかるというもの。
「光物性物理学では、光を物に当ててその反射光あるいは透過光の強度がどの程度減るかを見て、その物質のエネルギー構造を調べるのが一般的です。一方、『テラヘルツ時間領域分光法』を用いれば、光強度の変化だけでなく、近赤外光パルスの照射のタイミングをずらすことで、波の『振幅』と『位相』という 2 つの変化、つまり 2 倍の情報量を得ることができるのです」。
さらに渡邉さんの研究室では、この手法に工夫をこらし、振幅や位相に加えて、「偏光」の情報を精度よく測ることに成功した。これは、検出に使う半導体結晶を一定の角速度で高速に回転させることにより、テラヘルツ電場ベクトルの大きさと向きを同時に計測できるようにしたものである。これにより、反射波の電場ベクトル成分の方向を精度よく解析することが可能になった。
この半導体結晶の回転に伴う信号の解析には高度な計算が必要だが、当時、学部 4 年生だった安松直弥さんが膨大な計算を担い、実現に漕ぎ着けた。
「この手法を用いて、高さの違う 2 点から反射したテラヘルツ電磁波パルス光の、ある決められた時刻における電場ベクトルの向きの情報を高精度に計測できるようになり、金属などの輪郭や表面の粗さを高精度に検査できるようになりました。その結果、波長の 1000 分の 1 以下の深さまで凹凸が識別できるようになりました。この成果は、2012 年米国光学会レター誌『Optics Letters』オンライン速報版に掲載されました」。
今後は、より波長の短い赤外光や可視光の領域までこの手法を拡張していき、より応用分野を広げていきたいと渡邉さんは意気込む。

さらに渡邉さんは、波の振幅が非常に大きなテラヘルツ光を物質に照射し、その状態を変えるという研究も手掛けている。
「本来、半導体の電子を励起（基底状態から高エネルギー状態への移行）するには可視光くらいのエネルギーが必要ですが、テラヘルツ光でも振幅をきわめて大きくすることで、それが可能になります。しかも、波の形が見えるので、どの時点で電子がどういう状態になったのかをつぶさに観察できるのです。
また、テラヘルツ光は物質を構成する分子の振動の共鳴周波数に近いため、共鳴させやすく、格子を大きく揺らすことで構造変化を起こすことも期待できる。これにより、物の性質を自在に変化させることができるため、新しい物質科学への応用に期待が集まっています。今後は物質制御の画期的な新手法を確立していきたいと思っています」。
まだまだ大きな可能性を秘めているテラヘルツ光研究の今後に着目していきたい。

東京都中野区にて、電気工事業を営む両親の長男として生まれました。実家が電気屋だったため、ワープロやパソコンなどが身近にある子供時代を送り、早くからコンピュータ・プログラミングなどに興味をもちました。父は朝遅く仕事に出て夕方には帰ってくる生活で、夜はほとんど家にいたので、昔から、父のように自由に時間が使える仕事につきたいと思っていました。

研究者の世界は競争が激しいため、今でも、どうすれば生き残れるかを必死に考えています。そういう意味で、「今はやり」といわれている研究はやりたくない。「はやり」に飛びつくと、結局、自分がこの世界で何を残したのか不明確になってしまいます。もっとも、「テラヘルツ光」は「はやり」の分野なので矛盾しますが、自分なりの切り口でオリジナルな研究をしているつもりです。一方で、自分の興味に走りすぎて、まったく「はやり」ではない分野に進んでしまうと研究資金を集めるのが大変になったりもしますので、このあたりの「さじ加減」にはいつも苦心しています。
ちなみに、慶應義塾大学物理学科の４年生の必修科目に「論文講読発表」という、古今東西の英語原著論文を読んで解説するという授業があります。その中で過去の有名な研究者がどういう戦略で自分の学問領域を切り拓いてきたのかを、学生と一緒に学んでいます。研究に必要な「新しい発想」を生むためには、過去の人間の努力の足跡を学ぶことが一番の近道です。過去の偉人の戦略に学び、世界中の人をあっと驚かせる研究成果を出せるように日々努力しているところです。

研究者の世界は競争が激しいため、今でも、どうすれば生き残れるかを必死に考えています。そういう意味で、「今はやり」といわれている研究はやりたくない。「はやり」に飛びつくと、結局、自分がこの世界で何を残したのか不明確になってしまいます。もっとも、「テラヘルツ光」は「はやり」の分野なので矛盾しますが、自分なりの切り口でオリジナルな研究をしているつもりです。一方で、自分の興味に走りすぎて、まったく「はやり」ではない分野に進んでしまうと研究資金を集めるのが大変になったりもしますので、このあたりの「さじ加減」にはいつも苦心しています。
ちなみに、慶應義塾大学物理学科の４年生の必修科目に「論文講読発表」という、古今東西の英語原著論文を読んで解説するという授業があります。その中で過去の有名な研究者がどういう戦略で自分の学問領域を切り拓いてきたのかを、学生と一緒に学んでいます。研究に必要な「新しい発想」を生むためには、過去の人間の努力の足跡を学ぶことが一番の近道です。過去の偉人の戦略に学び、世界中の人をあっと驚かせる研究成果を出せるように日々努力しているところです。

高温超伝導の起源や生命の謎など、今現在では、さまざまな説が提唱されている問題も、何十年後かには人類にとって当たり前の知識になっている可能性が高いと思います。その時には、なぜそうなのかという、実験を裏付ける理屈が見出されていることでしょう。その理屈がわかりやすいものほど、人類にとって利用しやすく、社会に貢献することになります。
私は、自然現象というのは一見複雑に見えても、問題をばらしていけばシンプルなものになるはずだと思っています。その「わかりやすい理屈」を世界で最初に解き明かしたいですね。
未解明の真理を見つけるためには、自分たちにしかできない実験技術を磨くのが一番です。実験結果には、自然現象を解き明かすさまざまなヒントが詰まっていますから…。ヒントをもとにパズルを解いていくのは、とても楽しい作業です。
実際に私は、以前に、当時としては世界最高の電場クラスのテラヘルツ光パルスをつくり、これを用いて誰も行ったことがない物質の光制御に取り組みました。また、慶應義塾大学に着任した後は、テラヘルツ周波数領域の光の偏光情報を、速く正確に調べる世界トップクラスの技術を手に入れました。これからも、世界一の技術を使って未知の物理問題を解決していきたいですね。

中学時代から現在まで、アマチュアの吹奏楽団に参加してチューバを吹いています。
ちなみに、好きな曲の多くは行進曲（マーチ）です。チューバは単調なテンポしか刻まないので、よく人からは「つまらないでしょ？」と言われますが、むしろ単純なのに感動的な曲が多いということが面白い。研究と一緒で、わかりやすいものが好きなんですね。