テラヘルツ発振超伝導素子に関する大規模シミュレーション
Large-scale simulation for a terahertz resonance superconductors device
立木 昌
Masashi Tachiki
光と電磁波の間の周波数帯にあるテラヘルツ(THz)波は、その両者の性質を併せ持ち、また物質や生命分子等の励起周波数帯がテラヘルツ帯にあるため有用な特性を示すと予想され、センシング(医療診断、環境)、次世代通信、テラヘルツ通信等の多様な分野への応用が期待されている。これまで、応用上重要な連続波THz波生成法について半導体レーザ発振等による研究が進められて来たが、最も有用な1～4THzで低出力となる難点があった。このため、高出力性の連続波テラヘルツ波生成法の開発が世界中で盛んになってきた。本研究では、日本が世界に先駆ける高温超伝導体を使った連続波テラヘルツ波生成素子をシミュレーション研究する。それ自体が多層のジョセフソン結合構造である高温超電導体に外部磁場と外部直流電流を印加すると、テラヘルツ帯域を含む周波数帯域でフラクソンとジョセフソン・プラズマが共鳴し、ジョセフソンプラズマが励起し高温超伝導体から連続的にテラヘルツ波として高出力で空間へ放射されるという原理に基づきシミュレーションを行なう。この現象は強い非線形挙動が予想され、最適な発振条件を求めるには、強非線形方程式を多大な空間・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となる。このため地球シミュレータの大規模、高性能計算能力を活用し、連続波テラヘルツ波生成超伝導素子の最適設計を行い、また、その成果を大学、及び産業界の素子開発に役立てる。
昨年度より開始した産業応用に向けた研究をさらに進めるともに次のステップへの準備をする。(1) 多様な発振方式、導波管、テラヘルツ波と物質の相互作用など光源及び応用システム開発へ向けた基礎的設計情報の獲得、大規模シミュレーションモデルの整備を進める。(2) 3次元解析でのペタスケール大規模シミュレーションの要件をモデル、計算規模、計算機資源等の観点からまとめ、次ステップの準備とする。(3) この成果を学界、産業界へ提示する。
これまでに得られた連続波テラヘルツ波生成素子シミュレーションの成果を、実用的光源開発へ向けた設計情報としてまとめた。具体的には設計情報として、(a)励起の詳細とパラメータとの関係、(b)フラクソン動態とジョセフソンプラズマ波励起の関係、(c)ジョセフソンプラズマ波励起制御法についてまとめた。
ナノ炭素系物質の外部電磁場に対する応答を考慮した量子分子動力学の大規模規模高速シミュレーションモデルを整備した。大規模原子系に対して計算量がO(N)で計算負荷が低い、また高いスケーラビリティすなわち多数のプロセッサを使い高性能を得ることが可能な、さらに地球シミュレータの単体性能で実効性能60%の大規模高速なモデルを整備した。これにより、テラヘルツ波と多数原子の長時間・多数ステップにわたる大規模シミュレーションを準備することができた。
産業応用へ向けた3次元解析でのペタスケール大規模シミュレーションの要件（モデル、計算規模、計算資源）をまとめた。具体的には、実用的な光源開発については高温超伝導体素子とそれに接続する給電ワイヤーや導波管等の3次元光源全システムについての大規模シミュレーションの要件についてまとめた。また、物質・テラヘルツ波の相互作用については、百万原子規模の大規模原子系とテラヘルツ波の相互作用に関する大規模シミュレーションの要件をまとめた。これより、テラヘルツ応用シミュレーションはペタスケールシミュレーションとなることが分かった。