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
飯塚 幹夫 (財団法人 高度情報科学技術研究機構)
Mikio Iizuka
本研究は、電波と光の間の未利用周波数帯域であるテラヘルツ波応用の開拓を目指し、連続波としてテラヘルツ波を発振する高温超伝導体素子及びその利用システムを大規模シミュレーションにより設計することを目的とする。
昨年度まで、超伝導メカニズムを基に連続波テラヘルツ波を発振させる原理、その最適発振条件、さらに周波数制御法を地球シミュレータの計算力を生かした大規模シミュレーションから世界で始めて明らかにし、学界・産業界に公開した。これを参考に、筑波大、米アルゴンヌ研究所などがその発振原理を確認した。さらに実用化へ向けた開発が始まり、米、欧、中、韓などとの競争となっている。
連続波テラヘルツ波は透過性、高出力かつ周波数可変であり、例えば、水分吸収帯域を避けて透過観察できる大きな利点があり、環境センシング、医療、物質科学などへの応用が急がれている。しかし、実用化へ向けた克服すべき課題として、素子から発振されたテラヘルツ波を対象物に自在に照射するための導波技術がある。具体的には、テラヘルツ波の反射、減衰を生じない(a) 導波路の構造、形状、媒質、そして(b)素子と外部空間との接続法などを、ナノからミリスケールまでのテラへルツ波の挙動を３次元空間で扱う大規模マルチスケールシミュレーションで明らかにし、最適設計条件を求めることが必須となる。
本年度は、性能を向上した地球シミュレータの計算能力を活かし、3次元テラヘルツ波の発振、伝播、制御に関わる統合シミュレーションを目指す初年度である。
高温超伝導素子から反射、減衰を生じさせず効率的にテラヘルツ波を取り出す、素子と導波路の接続法の研究を、H21、22、23の３年間で研究する。今年度は、以下に示すモデルの検討、モデルの高度化を開始、進める計画であった。次年度の半ばまでに、このモデルの検証を行ない、それ以降に解析のためのシミュレーションを行なう計画であった。本研究は、本素子を有効に利用するという点で実用化において最も重要なものである。
この接続法の研究のために、（a）高温超電導体内の固有ジョセフソンプラズマと電極・導波路誘電体・テラヘルツ波との複雑な相互作用を解析するためのモデルの高度化と、（b）素子・電極・導波路の形状・物性値の最適な組み合わせを解析するためのシミュレーションを行なう。これまでの高温超伝導体のモデルは、発振の主要項である層方向電磁場Ez（層方向運動量の時間変動）に着目した準１次元モデルである。これは、Josephson plasma励起に関わる主要部分に着目したものである（他の理論研究でも同様なモデル化がなされている）。今回は、外部との接続を正確に解析するための、層内方向の電場Ex（層内の運動量の時間変動）の振動モデルを付加した一般化モデルを開発する計画である。解くべき現象が、素子内部の固有ジョセフソンプラズマと外部のテラヘルツ波の複雑なナノスケールからマイクロスケールでの相互作用であるため、3次元解析が困難と予想される。そのため主には２次元解析を行う計画であるが、高度化されたモデルの計算量を把握しつつ、３次元モデルの高度化、解析も進める計画である。
ナノスケールの素子外部へ発振されたテラヘルツ波を、如何に反射や減衰がなく効率的に照射対象物に導くかの研究をH21、さらに次年度の半ばまでに実施する計画であった。今年度は、以下に示すモデル整備と、シミュレーションを進める予定であった。
この研究のために、導波路の構造、形状、媒質のモデルを整備し、解析のためのシミュレーションを行なう計画である。
扱う導波路スケールがナノから数mmのスケールに渡り、計算が大規模となるため、超伝導部分は境界条件として扱い、TERAPAHSER3D のMaxwell方程式ソルバー部を用いた解析を行う計画である。
予定した計算資源は全て利用した。推定以上に計算量が必要なことが判明し、この実績の計算量を基に次年度以降より大きな計算資源を確保し、研究を進めたい。
高温超伝導体の素子モデルの高度化により、素子端面からのテラヘルツ波放射の詳細な解析が可能となった。これにより、次年度以降のテラヘルツ波の反射、減衰を生じない素子と外部空間との接続法の研究を行うための大規模モデルの整備ができた。これは、計画以上の進展であった。
素子の実用化上で最も重要な(1)の接続法の研究が計画以上に進展し、その研究に重点を置いたため、導波路の研究は、現在モデルの整備が出来た段階である。一方、接続法の研究が計画以上に進んだ結果、高温超伝導体の高度化された３次元モデルを使った素子端面からのテラヘルツ放射を考慮した導波路の解析、それによる効果的な素子利用法の開発が期待できるようになった。
全体では、100%以上の達成度と考える。