原文:https://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/faces14-kawano
到光波和電波之間的“最後一個未開發的區域”
“光和電波通常被認為是不同的維度，但它們實際上是同一類型的電磁波。它是分開光和無線電波的頻率。”
在解釋他的專長“太赫茲波”時，河野以此作為序言。電磁波是光和無線電波等電場和磁場的振動在空間和物質中傳播的物理現象。廣泛的無線電波，包括長波微波和廣播無線電波。
太赫茲波是指在“光”和“無線電波”之間的中頻帶中的電磁波，大約為 1 THz（太赫茲）。儘管迄今為止已經指出了各種可能性，但對於使用光和無線電波的領域中的人們來說，它作為“困難區域”已經很長時間沒有暴露在陽光下。作為近年來最具潛力的未開發電磁波，它受到了全世界的關注。
圖1：太赫茲波頻域
太赫茲波是各種電磁波，既具有無線電波的“透明性”，又具有激光束的“直線性”。首先，由於太赫茲波具有容易透過紙、木頭、塑料等的特性，因此可以根據透過程度獲得圖像，並可以從物體的形狀判斷該物質是什麼。非接觸方式。可以。太赫茲波的直線性可以進行鏡面反射和透鏡聚光等處理。此外，當對物質施加太赫茲波時，電磁波能量通過與半導體或生物聚合物的晶格（晶體）的振動共振而被吸收，並且出現該物質特有的光譜（光譜）。由於特性因物質而異，例如，通過預先對藥物等進行光譜檢查，可以通過非破壞檢查與數據相比較來區分雜質。除此之外，半導體和IC卡的檢查，防止異物進入食品的措施，植物的水分監測，信封中的毒物檢查，繪畫和紙幣等文化財產的檢查（修復/防偽），以及癌細胞 它可以以多種方式應用，例如將其與正常細胞區分開來的病理測試。
然而，太赫茲波原本有兩大弱點阻礙了它的發展。一是轉換成圖像時分辨率低。通過將光波或無線電波照射到目標物體上並反射或透射光波或無線電波來繪製圖像。波長越短，圖像越精細，分辨率越高，波長越長，圖像越粗糙。由於太赫茲波的波長比光長，因此屏幕變得粗糙。另一個缺點是尚未開發出與太赫茲波特性相匹配的探測器。由於太赫茲波的能量低，不能像光一樣測量，而頻率太高，不能像無線電波一樣測量，因此檢測靈敏度極差。因此，需要增加測量用太赫茲波的輸出，存在系統整體變大的問題。
因為弱所以很難察覺，就算撿起來也沒用。正是河野試圖克服這種太赫茲波的弱點。
採用納米碳材料的緊湊型光譜儀/檢測器
圖2：檢測方法的機制
河野的第一個努力是提高要測量（成像）圖像的分辨率。將太赫茲波照射小於波長的孔並產生洩漏的稱為“近場光”的極少量光的機制被安裝在半導體中，它是為一體式芯片量身定制的內嵌檢測功能。稻田。結果，大約 100 微米[項 1]的分辨率現在是 400 納米[項 2]（波長的 1/540），使得可以觀察比波長足夠小的區域。
隨後，他挑戰了一種具有寬頻帶的小型光譜設備的開發。石墨烯是2010年獲得諾貝爾物理學獎的碳材料，被用作具有寬頻帶的緻密材料。結果，頻帶從 0.76 太赫茲一次擴展到 33 太赫茲，實現了寬帶光譜測量。此外，2014年，我們與美國萊斯大學和桑迪亞國家實驗室合作，使用由板狀碳納米管製成的碳納米管陣列，成功開發了可在室溫下使用的太赫茲波探測器.
“石墨烯是由碳製成的一片六邊形骨架，理論上是一種電子質量為零的材料。電子速度約為光速的1/300，以及其他材料。另一方面，碳納米管是一種...維線性材料，當太赫茲波的電場在納米管方向發生振動時檢測太赫茲波，在垂直方向發生振動時進行檢測。正是利用這一特性開發的檢測器。”
此外，傳統的太赫茲波探測器必須進行冷卻以提高其靈敏度。它也被評估為劃時代的發展，因為它可以在室溫下與碳納米管陣列一起使用。
“我想深入了解半導體” 從好奇到不同領域
曾在大學/大學院和東京大學學習的河野，作為東京大學的助教，繼續研究量子霍爾效應[第三學期]等半導體物理學。事實上，此時的河野已經對太赫茲波產生了興趣。河野說，“我想純粹地觀察半導體內部”，他認為高分辨率太赫茲波測量可以有助於半導體的可視化。然而，當時的重點是半導體的基礎研究。
直到搬到理化學研究所，河野才認真地接受了使用太赫茲波進行研究的挑戰。正如他所強調的，“RIKEN 的好處是沒有障礙。”他強調說，參觀實驗室有一種自由的傾向。搬到 RIKEN 是為了從更廣闊的角度探索半導體物理學的可能性的河野，專注於將太赫茲波完全匹配作為一種工具這一事實，並專注於太赫茲波的開發和應用，並開始著手工作。
自 2011 年轉入東京工業大學以來，他已將其範圍擴大到進一步的研究活動，例如與公司進行聯合研究，以期在生物技術等工業應用方面進行研究。另一方面，沒有致力於單分子測量和基礎研究的探索。
“例如，在固態物理學中，我們正在開展具有未來前景的研究，例如觀察固體中的量子態以及電子作為帶有太赫茲波的波所具有的特性，並控制它們來改變狀態。”
事實上，我們已經得到了這樣的結果：當太赫茲波被施加而電子波和波相互干擾時，該特性被破壞了。如果它可以恢復到原來的狀態，控制將是可能的。這是在那之前的一步。
另一方面，在實際使用中還存在很多問題。例如，測量設備的高昂價格是其廣泛使用的主要障礙。由於目前主要使用的稱為[第4項]飛秒
另一個需要是在增加檢測器靈敏度的同時增加振盪器的強度。這種振盪器也在日本和海外積極研究，在東京工業大學，Masahiro Asada教授目前在研究和開發中發揮著核心作用。
科學與工程“相連”
雖然從小就開始接觸理科，但從小就喜歡閱讀日本國內外的古典文學等書籍，並考慮過去人文學科。在河野的腦海中，一開始就沒有分離事物的概念。正如 RIKEN 從科學擴展到工程一樣，面對一切的結果自然而然地導致了現在。河野一邊回首自己走過的路，一邊旋轉著文字。
“我從自己的經驗中認識到，科學和工程是相互聯繫的學術，所以我想進一步相互合作，把每個領域都做到極致，或者開闢新的領域。但是，我相信它會為科學的發展做出貢獻。”這就是為什麼，對於學生來說，首先，我們應該深入研究我們研究的基礎，而不是僅僅在頂部。我想要它。從那裡，世界將無限擴大。
詞彙表
[術語 1] 微米：1 微米是10-6米，百萬分之一米，或 0.001 毫米。
[術語 2] 納米：一納米是10-9米，十億分之一米，或 0.000001 毫米。
[術語 3] 量子霍爾效應：當將不同類型半導體之間的界面等電子限制在平面內而形成的二維電子系統置於低溫和強磁場下時，垂直電阻為零，霍爾效應電阻被量化了。1985年和1998年，這種效應的研究成果獲得了諾貝爾物理學獎。
[術語 4] 飛秒：1 飛秒是10-15秒（1/1000 萬億秒）。