東京農工大學研究生院工學研究院先端電氣電子部門的鈴木健仁副教授，與該校電氣電子工程專業的遠藤孝太（碩士2年級）和近藤諭（2018年3月碩士畢業），確定了利用具有超高折射率且無反射的新材料製作太赫茲超表面透鏡（Terahertz Metalens）的設計指南。
利用研究團隊自主開發的人造材料（超表面材料）專利（專利號：6596748），可以改變和調控電磁波。平而薄的超表面材料可以整合到太赫茲波段光源中，因此有望應用於6G（Beyond 5G）以後的未來通訊。另外，透過將該設計指南應用於數十太赫茲以上的紅外區域，還有望用於熱管理，比如將輥軋鋼坯等散發的熱輻射集中到特定方向等。
圖1：利用超高折射率無反射人工結構材料超表面材料的太赫茲超表面透鏡
研究背景
目前，利用比毫米波頻率高、比可見光頻率低的太赫茲波段電磁波的6G（Beyond 5G）通訊，以及對高溫熱源散發的熱輻射（紅外區域的電磁波）進行再利用的熱管理都備受期待。這些太赫茲波段和紅外區域的電磁波通常使用有一定厚度的圓頂狀透鏡來調控。不過，爲了向太赫茲波段光源整合以及控制輥軋鋼坯等散發的熱輻射，需要使用平面的薄型透鏡，以實施光源的整合和後期向現有結構物及空間導入。
研究成果
此次的研究成果是在1太赫茲（THz=1012Hz）以上的電磁波區域，制定了採用超高折射率、無反射人工超表面材料的太赫茲超表面透鏡（圖1）的設計指南。這種超表面透鏡由比波長還小的結構——超原子（meta-atom）構成，超原子由在介電質基底層正反兩面對稱配置的切割金屬線形成，不僅是材料的介電性，磁性也可以人工控制。另外，頻率升高後，需要同時考慮金屬導電率的實數部份和虛數部分，因此切割金屬線的導電率採用德魯德模式的值。這種利用人工複材製作的超表面透鏡還具有厚度非常薄的優點。例如，預計設計厚度約爲2微米（微米=1000分之1毫米）的超表面透鏡在3THz下能實施功率密度爲4.6倍的高指向性（圖2）。
圖2：（a）yz面和（b）xz面有太赫茲超表面透鏡及沒有太赫茲超表面透鏡時的指向性增益
未來展望
如果將利用超高折射率無反射超表面材料製作的超表面透鏡整合到太赫茲波段的光源中，就可以爲6G（Beyond 5G）以後的無線通信波束成形技術做出貢獻。另外，透過將該設計指南應用於數十THz以上的紅外區域，還有望用於熱管理，比如將輥軋鋼坯等散發的熱輻射集中到特定方向等。
論文資訊
題目：Terahertz metasurface ultra-thin collimator for power enhancement
期刊：Optics Express
URL：osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-28-15-22165&id=433418
文：JST客觀日本編輯部
