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室温でテラヘルツ周波数を高効率に変換できる物質を発見

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March, 26, 2020, 東京--東京大学物性研究所の神田夏輝 助教、松永隆佑 准教授らの研究グループは、同研究所の池田達彦 助教および板谷次郎 准教授らの研究グループ、さらに米国の研究グループと協力して、テラヘルツ周波数帯(毎秒1兆回の振動数)の電磁波の周波数を極めて高効率に変換できる物質を発見し、さらにそのメカニズムを解明した。

テラヘルツ周波数帯は既存のエレクトロニクスをさらに数桁上回る高速周波数帯であり、この帯域の電磁波の周波数を自在に操ることは次世代高速エレクトロニクスにおいて非常に重要。テラヘルツ帯の周波数変換素子は宇宙・天文物理学における微弱マイクロ波観測などにおいても活用されているが、極低温でのみ利用可能な超伝導体が用いられている。この研究ではヒ化カドミウムという特殊な物質に注目し、物性研究所で開発された光技術を駆使することで、テラヘルツ電磁場の周波数変換が室温でも高効率に起こることを発見した。さらにその発生メカニズム解明のため、ヒ化カドミウムにおける超高速の時間変化を調べる精密計測と理論計算を行い、ヒ化カドミウム特有の質量ゼロの電子(=ディラック電子)がテラヘルツ電場で加速されることで生じる非線形電流がその起源であることを明らかにした。ディラック電子は、炭素原子一層からなる2次元物質グラフェン内などに存在し、極めて高い電子移動度など通常の電子とは異なる応答を示すことが知られている。ヒ化カドミウムはグラフェンと類似の性質を3次元的に示すため、ディラック電子由来の応答を大きな体積で巨視的に発現させることが可能になる。その結果、グラフェンを含む既存の物質よりも遥かに高効率に室温テラヘルツ周波数変換が可能であることを示した。今後更なる周波数変換の効率化とともに、ディラック電子の特性を活かした新規機能性の開拓が期待される。
 研究成果はPhysical Review Lettersオンライン版に公開さた。
(詳細は、http://www.issp.u-tokyo.ac.jp)