ひずみを加えたダイヤモンドによる連続可変強力テラヘルツパルス生成

見えない光の欠落帯をつなぐ

テラヘルツ光は電磁スペクトル上でマイクロ波と赤外の間に位置し、原子や分子を揺さぶって材料の隠れた性質を明らかにしたり制御したりできる。一方で、約5〜15兆サイクル毎秒（テラヘルツ）に相当する重要な帯域は、強力でクリーンなパルスを生成するのが極めて困難だった。本論文は、わずかに精密に圧縮された小さなダイヤモンド結晶が新しいタイプの発生器として機能し、この「欠落」帯を途切れることなく覆う強力で超短パルスのテラヘルツ放射を生み出せることを示し、超伝導体や量子材料、複雑な分子の探索の扉を開く。

この隠れた帯域が重要な理由

多くの重要な材料は、5〜15テラヘルツ帯域の振動に最も強く応答する。超伝導体や磁性結晶をちょうど適切なリズムで駆動すると、その状態を一時的に変え、超伝導を誘起したり磁気パターンを再構築したりできる。既存のテラヘルツ源は、この周波数範囲にギャップを残すか、特定の周波数で十分に強くないか、壊れやすく高価な結晶や複雑なセットアップに依存する。したがって、研究者は強力でギャップなくこの全帯域を連続的に可変でき、標準的な超高速レーザー実験室に容易に組み込めるソースを必要としている。

ダイヤモンドをテラヘルツエンジンとして使う

著者らは、三つの精密に時間調整されたレーザーパルスがダイヤモンド内部で協調して働く手法を基にしている。まず二つの比較的長いパルスが結晶の原子を同期して引っ張り、格子のはっきりした振動を励起する。三つ目の非常に短い中赤外パルスがその後通過し、この振動と“ビート”を生じさせることで、その一部のエネルギーをテラヘルツパルスへと変換する。生成されるテラヘルツの波長（周波数）は最初の二つのパルスの色差と中赤外パルスの色によって決まり、レーザーを調整するだけで出力が約5テラヘルツから15を超える領域まで連続的に掃引でき、間に穴をあけない。このアプローチの鍵は、ダイヤモンド内を伝播するすべての波が位相を揃えて足し合わされ、生成されるテラヘルツ場が増幅されて打ち消し合わないようにすることである。

完璧なタイミングのためにダイヤモンドにひずみを加える

ひずみを与えていないダイヤモンドでは、すべてのビームが同一直線上を伝播するときに波が自然に同相でそろわないため、これまでの実験ではビームを角度をつけて交差させる必要があった。その非共線幾何は相互作用領域を短くし、アライメントを複雑にし、出射ビームに歪みを導入する。本研究では、チームは小さなダイヤモンド立方体の一軸に沿って制御された機械的な圧縮を加える。ごく小さなひずみは結晶内で異なる色が伝わる速度をわずかに変え、適切な圧縮量によりタイミングが一致する：すべての相互作用する波が共線で伝搬しながら位相を保てるようになる。実験により、この手法で2ミリメートルのダイヤモンドが10テラヘルツで角度付きビーム構成より約3倍のテラヘルツエネルギーを生み、しかも集束できるほぼガウス形のクリーンなビームを維持することが示された。

結晶内部でのエネルギー流のバランス

性能を理解し最適化するため、著者らは光パルスと結晶振動の双方をダイヤモンド内部で追跡する方程式を数値的に解いた。もっとも強いポンプパルスは大きく枯渇し、そのエネルギーの大部分が他の波へと変換されるため、枯渇を無視する単純な式は破綻することがわかった。シミュレーションは、重要なのは単にどれだけ強く結晶を駆動するかではなく、ダイヤモンド長手方向に沿った振動パターンの形状と広がりであることを示す。駆動パルスが強すぎるか完全に同調すると振動は非常に強くなるが短い領域に閉じ、弱すぎるか大きく外れていると振動は広がるが十分な振幅に達しない。最適点は、中程度に強く幅広い振動プロファイルが短い中赤外パルスと良く重なり、テラヘルツ出力を最大化する場合である。

スケールアップと展望

現在のレーザーシステムで研究者らは10テラヘルツで60フェムト秒のテラヘルツパルスを30ナノジュールのエネルギーで生成しており、強く集光した場合には電界強度がセンチメートルあたり200万ボルトを超えることに達する。理論解析は、幾分厚めのダイヤモンド（数ミリメートル程度）を用いれば、損傷やビーム拡がりといった実用上の限界が現れるまでエネルギーを数倍に増やせることを示唆している。すべてのビームが共線で伝わるため、このソースは一般的なテラヘルツ時間領域法や超高速分光のセットアップに自然に統合できる。本質的に、ダイヤモンドに穏やかな圧縮を加え入力パルスのバランスを巧みにとることで、本研究は5〜15テラヘルツのギャップを実質的に閉じるコンパクトで可変、かつ強力なソースを提供し、複雑な材料挙動を駆動・探査する強力な新しい道具を研究者に与える。

引用: Su, Y., Wei, Y., Lin, C. et al. Gapless tunable intense terahertz pulse generation in strained diamond. Light Sci Appl 15, 186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02092-6

キーワード: テラヘルツパルス, ひずみを加えたダイヤモンド, 超高速レーザー, ラマン散乱, 量子材料