研究内容について
本研究室では、「テラへルツ波」をより身近に扱える未来社会の実現を目指し、最先端のテラへルツセンシングやシステム開発に関する研究・教育活動を行っています。
特に、バイオメディカル分野や半導体分野において革新をもたらすテラヘルツ応用研究に取り組んでいます。
テラへルツ波とは
テラへルツ波は、周波数が約100 GHz（GHzは10^9 Hz）から10 THz（THzは10^12 Hz）、波長に換算すると30μmから3mmの電磁波を指します。ちょうど電波と可視光の中間に位置しています。
テラへルツ波は、電波のように様々な物を透過することができます。これを利用して様々なサンプルの情報をスペクトルとして得ることができます。また光のようにミラーやレンズを使って、反射させたり集光させたりすることもできるので、様々なサンプルをイメージングすることができます。これにより、例えば半導体の中の欠陥や回路の断線などを見つけたり、生体組織や溶液などのバイオサンプルの評価に利用できるとされています。このようなことを非侵襲で安全にできるので、様々な分野への応用が期待されています。
一方で、テラへルツ波は低出力で、感度も悪く、装置も大がかりになるため、実用的なシステムやセンサーの開発が普及していません。
この問題解決に向けて、本研究室では、光からテラへルツ波への波長変換プロセスで生成する、微小なテラへルツ波の点光源を使った研究を行っています。これを利用して、高感度でコンパクトなテラへルツシステム・センサーの開発に取り組んでいます。以下に研究内容を紹介しています。
我々の目標は、テラへルツ技術をもっと身近に扱える社会作りに貢献することです。多くの人たちが、テラヘルツという言葉をもっと身近に感じられるよう、どういったことができるのかアピールしていきます。
１．テラへルツ光源開発
フェムト秒レーザー（光）からテラへルツ波への波長変換で生成する、微小で高密度なテラへルツ波の点光源の開発を行っています。マイクロメートルオーダーのとても小さなテラへルツ波光源を作ることができます。例として周波数1THzのテラへルツ波は波長に換算すると約300μmでそれより小さなサイズ（厳密にはその半分の約150μmより小さなサイズ）にすることはできませんが、これより2桁小さいテラへルツ波の光源ができます。
See ⇒ Optics Express 20 (12) 12959-12965 (2012).
２．テラへルツバイオ応用
テラへルツ周波数領域には、他の電磁波では観測できない生体高分子の回転運動や分子間振動などが観測できます。これらは生体内で起こる様々な機能発現に深く関わっているとされており、その計測には高性能なシステム・センサー開発が重要です。
本研究室では、細胞など小さな物質を調べることができる新しいタイプのテラへルツ顕微鏡や、微量溶液を高感度でセンシングできるバイオケミカルセンサーを使い、テラへルツ領域におけるの分子情報の取得と、テラへルツバイオ研究のための事例抽出に取り組んでいます。分光データ（1次元）、イメージデータ（2次元）、さらには構造データ（3次元）に渡る、多次元・多種なデータを取り扱います。
- See ⇒ Journal of Physics: Photonics 2 (4) 044008 (2020).
- See ⇒ APL Photonics 3 (5) 051603 (2018).
３．テラへルツ半導体評価システム
半導体材料、半導体デバイス、LSIなどの欠陥の非破壊検査への応用や、特性評価に関する研究を行っています。
九州では半導体産業がホットトピックで、その発展にテラへルツ技術を推進しています。
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４．ＩＣＴを利用した最先端テラへルツセンシング基盤の構築 テラへルツ点光源を利用したセンシングと、情報、AI、通信技術を融合し、テラへルツ領域におけるイメージングデータやスペクトルデータの整備に関する研究を行っています。バイオセンシングにおける分子や細胞情報、半導体センシングにおける局所欠陥、断線、状態変化などがマクロ（人体、デバイス）に引き起こす影響を早期で発見できるセンシング基盤の構築に取り組んでいます。 |
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５．ビヨンド５Ｇに向けたコンパクトテラへルツデバイス開発 テラへルツ点光源を利用して、ビヨンド５Ｇ時代に利用が期待される高感度なテラへルツフィルター設計に関する研究に取り組んでいます。メタマテリアルという人口物質を利用します。メタマテリアルの構造、アレイ数、周期などをパラメーターとしてＡＩを使って最適なデザイン探索を行い、高感度かつコンパクトなテラへルツフィルターの開発を行っています。 その他にも、様々なオンチップ型／集積型テラへルツデバイスの開発に取り組んでいます。
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研究プロジェクト
科学技術振興機構 創発的研究支援事業
「近接場テラヘルツ励起プローブ顕微鏡による１細胞・１分子分光イメージング解析とその応用」（2020-2027）
【研究代表：芹田 和則】
令和7年度 日本医療研究開発機構 橋渡し研究プログラム シーズH [九州大学拠点]
「テラへルツ光を用いた迅速病理診断装置の開発 」（2025）
【研究代表：芹田 和則】
令和7年度 北九州産業学術推進機構 研究開発プロジェクト支援事業（シーズ創出・実用性検証事業） 若手・チャレンジ
「AI連携高分解能テラヘルツ波放射顕微鏡による半導体非破壊不良識別システムの開発」（2025）
【研究代表：芹田 和則】
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
「高分解能テラへルツ内視鏡の開発」（2025-2027）
【研究代表：芹田 和則】
大阪大学令和7（2025）年度 大阪大学レーザー科学研究所共同利用・共同研究課題
「テラへルツ波点光源の開発とバイオセンシング応用」（2025）
【研究代表：芹田 和則】
科学研究費助成事業 基盤研究(C)
「テラヘルツ波を用いた甲状腺腫瘍に対する革新的診断技術の確立 」（2024-2028）
【研究分担：芹田 和則（代表：高知大医・手島 直則 教授）】
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
「局所場における光テラヘルツ波変換モデルリングと半導体分析応用 」（2024-2026）
【研究分担：芹田 和則（代表：岡山大・斗内 政吉 特任教授）】
過去の研究プロジェクト等
- ・科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)「生理環境下での細胞測定に適した近接場テラヘルツ顕微鏡の開発とその応用 」（2020-2024）【研究代表：芹田 和則】
- ・科学研究費助成事業 基盤研究(B)「高感度テラヘルツμTASの開発とナノバイオ分析への応用 」（2021-2023）【研究代表：芹田 和則】
- ・科学技術振興機構 A-STEP 令和2年度追加公募（トライアウトタイプ）標準「下水中の新型コロナウイルス存在実態を非標識で検出可能な高感度テラヘルツバイオセンサーの開発」（2021）【研究代表：芹田 和則】
- ・科学研究費助成事業 国際共同研究強化(B) 「低次元ナノ材料における局所場光テラヘルツ波変換の科学」（2018-2020）【研究分担：芹田 和則】
- ・コニカミノルタ科学技術振興財団 画像科学奨励賞 (優秀賞)「テラヘルツ分光イメージング顕微鏡の開発とオンサイト細胞診への応用に向けた研究」【研究代表：芹田 和則】（2020）
- ・科学研究費助成事業 基盤研究(B)「局所テラヘルツ場増強メタマテリアルチップとそれを用いたナノバイオ計測基盤技術開発 」（2018-2021）【研究代表：芹田 和則】
- ・村田学術振興財団 研究助成 (自然科学) 「テラヘルツμTASシステムの開発」（2017）【研究代表：芹田 和則】
- ・科学研究費助成事業 基盤研究(A) 「超高感度テラヘルツバイオチップの開発」（2017-2018）【研究分担：芹田 和則】
- ・中谷医工計測技術振興財団 技術交流助成（海外派遣）（2016年度第４回）【研究代表：芹田 和則】
- ・科学研究費助成事業 若手研究(B) 「微量溶液評価用高感度近接場テラヘルツセンサーの開発とその応用」（2015-2018）【研究代表：芹田 和則】
- ・日本学術振興会特別研究員奨励費 「レーザー走査型テラヘルツ波放射イメージングシステムの開発」（2013-2014）【研究代表：芹田 和則】