■発表要旨
１．プロジェクトの目的
テラヘルツ（THz）波は光とミリ波電磁波の間の未開拓領域であり、医療診断、環境センシング、大容量高速通信等の多数の新規分野に応用が期待されている。テラヘルツ波の実用化の課題は、高出力の使い易い連続テラヘルツ波発生素子の開発であるが、現状のレイザー法等による素子では能力不足である。高温超伝導体はそれ自体がジョセフソン結合系を形成しており、テラヘルツ帯に振動数を持つジョセフソン・プラズマというシャープな励起状態を有する。定電流をかけることにより、ACジョセフソン周波数と共鳴した強い発振が起き、連続テラヘルツ波を高出力に放射することが期待されている。本素子の設計には、強非線形方程式を多数の空間・時間メッシュにより解く大規模シミュレーションが必要であり、地球シミュレータの使用が必須である。以上より、本研究では、大規模シミュレーションによるテラヘルツ発振超伝導素子に関する研究を目的とする。本研究成果は、テラヘルツ発振のみならず、光通信の情報量の増大、ひいては超高速、低電力計算機の開発、ナノテクノロジーへも貢献することが期待できる。
２．今年度当初の計画
- 基礎研究2Dコードの機能拡張と発振メカニズム・条件の詳細解明
- H15年度に使用した2次元解析コードの機能拡張： 素子周りの物体(電極、給電ワイア、テレヘルツ検出器、誘電体)を含めた素子全体のシステムを扱えるように解析機能を拡張する。
- 発振メカニズム・条件の詳細解明：広いパラメータでのジョセフソンプラズマの励起条件と素子境界(ab面方向のデバイスの端)からの電磁波の放射挙動を詳細研究する。
- 設計・開発用3Dコードの開発
- 連続テラヘルツ発振素子の設計・開発コードの開発を目的として、よりリアルな形状で解析を行うための3次元解析コードを開発しそのテストを行う。
３．今年度得られた成果、および達成度
＜成果＞
1. 基礎研究2Dコードの機能拡張と発振メカニズム・条件の詳細解明
- 米国の本分野の理論専門家グループにも成果を一部公開し、シミュレーション、結果分析と議論を重ね、本研究の発振メカニズムシミュレーション結果（以下要点）はほぼ妥当であるとの合意が得られた。
- 整列していないクラスター状（ランダムではない）のフラクソン分布が存在する。従来仮説では、３角配列が各層毎に周期的な位相差を持つ規則配列を仮定している。本シミュレーションにより、外部電流が大きくフラクソンと電磁場の相互作用が強く、層数が多い時に、クラスター状のフラクソン分布が発生し、ジョセフソンプラズマからテラヘルツ波の発振に至ることを明らかにした。
- ジョセフソンプラズマは定在波的である。従来仮説では、進行波を仮定している。また定在波を支持する実験結果（独）が今年発表されている。
- 米国の理論専門家は、議論を通して、固有ジョセフソン結合のようなナノスケールの強非線形現象の解明には大規模シミュレーションが必要であるとの認識を強く得た。また、11月に新潟で開かれた「第17回国際超伝導シンポジウム」で本研究成果を踏まえた基調講演を行い、本成果は、従来の認識を超えた新しいものであるとの評価を得た。また、超伝導物理分野の先端研究における大規模シミュレーションの有効性を多くの研究者が認識した。
2. 設計・開発用3Dコードの開発
- 2Dコードで機能拡張を行う予定であった、素子周りの物体(電極、給電ワイア、テレヘルツ検出器、誘電体)を含めた素子全体のシステムを扱える機能拡張は、3Dコード開発に統合し実施することとした。現在コードの開発進行中である。今年度末までに基本的テストを終了する予定。
＜達成度＞
今年度当初に挙げた上記計画に対し、３四半期である現時点で以上に示した成果を得ることができた。現時点での成果として当初の目標はほぼ達成できていると考える。現在、本研究に関する論文をPRBに投稿中。