筑波大ら，THz帯を透過するガラス材料設計に知見

筑波大学，東京科学大学，大阪大学，東京大学，立命館大学，京都大学は，ガラスにあるわずかな原子の周期構造（見えない秩序）が，ガラスの物性に影響を及ぼすテラヘルツ帯の揺らぎ（振動特性）を決定する重要な要因であることを明らかにした（ニュースリリース）。

ガラスは内部の原子配置にサブナノメートル程度の擬周期的な構造（見えない秩序）を持ち，X線や中性子線を用いた実験において「第一尖鋭回折ピーク（FSDP）」として観測される。一方，ガラスの特性の一つに，テラヘルツ帯域で観測される特徴的な原子の集団振動現象「ボゾンピーク（BP）」は，ガラスの低熱伝導性や微視的な塑性変形だけでなく，テラヘルツ光の透過特性にも影響を与える。

電波は，その周波数がBPの周波数以下の領域のため窓ガラスを透過できるが，ポスト5Gで検討されているTHz帯では，1THz付近から吸収が急増し，窓ガラスは1THzを超えると吸収が非常に強くなる。そこで研究グループは，ガラス内部のどのような構造がBPの振動を生み出しているのかを，特に周期的な構造であるFSDPに着目して調べた。

この解析には，ガラスの弾性のばらつきを考慮する「不均一弾性体理論」と，これを数値的に扱うための「コヒーレントポテンシャル近似（CPA）」という手法を用いた。これにより，ガラス内部で振動がどのように伝わるのかをモデル化し，BPの振動特性を決定する要因を明らかにした。

研究では，代表的なガラスであるシリカガラス（SiO₂）とグリセロール（C₃H₈O₃）について，BPを定量的に解析した結果，共通して硬い領域と柔らかい領域が混在していることがわかった。この弾性のばらつきが，どの程度のスケールで変化しているか（空間相関長）が，BPの周波数を決める鍵であり，FSDPがナノメートルスケールの空間相関長と深く関係していること，ガラス内部の硬さのばらつきが，BPの強度や周波数に影響を与えることが分かった。

他のガラスも解析したところ，理論が予測する「最小の弾性不均一性のスケール」と，FSDPで観測される擬周期的な構造のスケールがほぼ一致。さらに，どのガラスでも，両者のスケールはほぼ同じ大きさであり，「理論が予測する弾性のばらつきの最小サイズ」と「実験で観測されるFSDPの周期サイズ」が密接に関係し，FSDPが弾性不均一性の空間相関長の起源となっている可能性を示唆した。

この成果は，THz帯の光を透過しやすいガラスの設計や，特定の周波数で光を遮断する新しい光学材料の開発などにつながるもの。研究グループは，次世代の通信技術の実現に寄与するとしている。