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 (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の応用技術の開拓を目指し、連続波テラヘルツ波を周波数可変に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。
高出力、周波数可変かつ透過性のある連続テラヘルツ波は、例えば、水分吸収帯域を避けて物体内の生体分子や物質を透過観察できる等の利点があり、環境センシング、医療、物質科学など先端科学への応用が急がれている。このような光源としては、半導体や非線形光学材料を使ったものがあるが、最も応用性の高い１～4THz帯で出力が低下する問題があり、高温超伝導体特性から原理的にその問題の解決が期待できる外部磁場を印加した高温超伝導体素子が最も有望である。しかしその実用化へ向けて克服すべき課題としては、テラヘルツ波を素子内部から効率的に放射させ、それを対象物に自在に誘導するための導波技術の開発がある。
そのため、本研究では具体的には、テラヘルツ波の効率的な導波を行なうための反射、減衰を生じない(a) 素子内部と外部空間との接続法及び(b)導波路の構造、形状、媒質などを、ナノからミリスケールまでのテラへルツ波の挙動を２・３次元の多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。
これまでの研究概要は、以下のようである。
高温超伝導体の特性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より世界で初めて明らかにし、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。また、本研究成果に基づき日本の防衛特許として申請した「連続波テラヘルツ波の発振素子および発振法に関する特許」(特許第4558350号)を平成22年7月に獲得した。
目的に向けて、素子の内部と外部との効率的な接続法の設計を進めた。具体的には、正確な接続の解析を目指し、基礎研究での準２次元モデルを正確な多次元接続モデルに改良し、2・3次元コードを構築した。その2次元コードを用いて、素子の内部と外部の効率的な接続のためには上下対称電極配置が有利であることし示した。また層数を増加させることは効果的に素子の実効誘電率を下げて放射に有効である可能性があることを示した。
本年度は、高温超伝導素子とその利用システムの実用化を目指し、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3年度目である。
昨年度に引き続き素子の内部と外部との効率的な接続法の設計を進める。H20年度までの基礎研究の成果とH21,22年度での設計の成果を基に、接続を正確に解析可能な2次元コードを用い、誘電体配置と素子層数による実効誘電率の変化がどのようにテラヘルツ波放射に影響するかを検討し、効率的な放射を達成するための素子内外の接続条件を明らかにする。
素子表面をテラヘルツ波源境界条件とし外部空間のみを3次元解析し導波路設計を行なう。上記1) の計算負荷が重いためH23は1) へ計算資源を集中し、H24年度の研究とした。
予定通りこの研究項目に計算資源を重点的に配分した。3月までには予定の計算資源を使い切る予定である。3Dモデルによる素子と外部空間との接続に対する素子端面の影響解析にも利用した。しかし3D計算では長時間シミュレーションで発散してしまうため、モデル・コードの見直しにも利用している。
H23は1)へ計算資源を集中し、H24の研究とした。
今年度は、昨年までの成果をふまえ、誘電体配置と素子の層数による実効誘電率の変化がどのようにテラヘルツ波放射に影響するかを検討し、効率的な放射を達成するための素子内外の接続条件を明らかにした。
具体的には、
a) 誘電体配置と層数の組合せは、THz波放射へ大きく影響し、異なる放射形態が発生すること、
b) 均質な外部誘電率分布となる誘電体配置かつ層数の増加は、遠方へTHz波が伝播可能な放射電磁界を生成することを、素子内部・外部の接続法の設計指針として得た。
これらは、実験側には有益な情報であり、実験改良の指針となる。
しかし、これまでのパラメータ（誘電体配置、層数、外部磁場、電流等）の振り方では、設計デーとして粗い。今後、詳細な周波数制御や励起条件の詳細設計データを得るために、パラメータを細かく変化させ、かつ充分な定常状態を計算するための長時間シミュレーションが必要である。また、3次元モデルの計算では長時間シミュレーションで計算が発散してしまうため、モデル・コードの見直しを実施中である。これらは次年度の課題として取り組む。
H23年度は(1)へ計算資源を集中し、H24年度の研究とした。
(年度当初の研究計画を全て達成した場合を100%として数値で示してください。複数の目標があった場合は、それぞれについて達成度を数値で示してください。)
全体：80%
テラヘルツ波の反射、減衰を生じない素子内部と外部空間との接続法の研究 80%
計画では、年度始めに解析モデルの設定・テストを行ない、7月頃から計算を始めて2月頃までに計算資源を使いきる予定であった。現在、H23年12月で11,683ノード時間/13,000ノード時間=90%を利用した。後2ヶ月で全ての計算資源を使いきる予定である。このように、計算機資源を計画通りに利用している。
該当なし。
該当なし。