安価に大量生産できる6G通信向けテラヘルツ光学材料を開発東北大学

東北大学大学院工学研究科の金森義明教授らのグループは2022年3月10日、自由な形状に形成でき、任意の屈折率特性を有するテラヘルツ光学素子の実現を目指し、メタマテリアルを内包した粉末状の新たなテラヘルツ光学材料「三次元バルクメタマテリアル」の加工、形成技術を確立したと発表した。幅広い屈折率特性を有するテラヘルツ光学材料となる。

世界では2030年代の実用化を目指し、移動通信システム5Gの次の世代「6G」を見据えた研究開発が始まっている。5G用の電波（ミリ波）よりさらに波長が短いテラヘルツ波の使用が明示されているが、テラヘルツ波の制御に適した材料は乏しく、加工が容易で幅広い屈折率特性を有する新規材料の開発が求められている。

超微細構造体で構成されるメタマテリアルは、これまでの電磁波操作技術の限界を打ち破る人工構造体として注目されている。研究では、自由な形状に形成できて任意の屈折率を有する三次元バルクメタマテリアルを、部材として安価で大量に提供できる製造技術を世界で初めて開発した。

三次元バルクメタマテリアルは、メタマテリアル単位構造が三次元的に方向依存なく透明樹脂中に分散された構造であるため、偏光依存性が解消され、等方的な光学特性を持つ。半導体の微細加工技術を用いることで、メタマテリアルの単位構造をパターニングできる任意の人工的な構造体にできる。

任意形状のメタマテリアル単位構造を形成できる製作技術を用いた立体的メタマテリアルはすでにあるが、厚みの制約や構造の向きの制約がある。そのため、これまで三次元的に等方分散されたバルクのメタマテリアルはなかった。自己組織化パターニングやバイオテンプレートを用いた製作方法もあるが、メタマテリアル単位構造の形状が制約される。

研究で開発した製造技術を用いれば、製造上の厚みの制約がなく、設計に基づく任意形状のさまざまなメタマテリアルを三次元的に等方分散した真の三次元バルクメタマテリアルを製造でき、メタマテリアルを粉末として供給できる。

粉末は、テラヘルツ波の波長よりも小さな数十～数百μm程度の大きさのメタマテリアルを内包した樹脂製粉末となる。これを液状樹脂に攪拌し、型を用いて凝固させると、任意形状でメタマテリアルの設計に応じた屈折率特性を持つ光学物質（三次元バルクメタマテリアル）を製作できる。

一例として、金型成形で直径12mm、厚さ1.6mmの三次元バルクメタマテリアルの製作に成功。メタマテリアルは、三次元的にランダムに分散配置され、周波数0.7THz付近で屈折率を0.135変化させることに成功している。

a）三次元バルクメタマテリアル外観写真、b）拡大写真

これまで開発されてきた平面的に形成されたメタマテリアルは、バルク材料のような自由な二次加工が難しいことに加え、メタマテリアルを部材として入手することが困難だった。

今回開発したメタマテリアルは、固体の粉末材料として供給できるため、金型成形や切削加工などの機械加工で自由に加工してテラヘルツ光学素子を実現できる画期的なものとなる。6Gの通信技術をはじめ、医療、バイオ、農業、食品、環境、セキュリティなど幅広い分野での応用が期待できる。

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