| 基準 | ギガヘルツ (GHz) | テラヘルツ (THz) |
|---|---|---|
| European mains electricity | 0.00000005 GHz | 5 × 10-11 THz |
| Concert pitch A above middle C | 0.00000044 GHz | 4.4 × 10-10 THz |
| An FM radio station | 0.1 GHz | 0.0001 THz |
| A Wi-Fi band | 2.4 GHz | 0.0024 THz |
| A desktop processor clock | 3 GHz | 0.003 THz |
ギガヘルツは、10 億 ヘルツ にあたる振動数の単位です。記号は GHz です。現代の無線通信と、いま使われているあらゆる計算機の内部クロックが置かれている領域であり、そこにあるもののほとんどは 1990 年代より前には日常のものではありませんでした。
無線 LAN はおもに 2.4 と 5 ギガヘルツ の二つの帯域を占め、6 の近くにより新しい帯域があります。2.4 ギガヘルツ 帯が混み合っているのは、ほとんどの国で免許なしに使え、Bluetooth や コードレス電話、電子レンジと共用しているからです。電子レンジが 2.45 ギガヘルツ で動くのは、その周波数で水の分子がよくエネルギーを吸収するためです。5 ギガヘルツ 帯はより多くのチャンネルと高い速度をもたらしますが、壁による吸収が強く、覆える範囲は狭くなります。
携帯電話はこの領域全体にまたがっています。以前の世代は、建物の奥や田園地帯まで届く到達距離を求めて 1 ギガヘルツ 未満の帯域を使いました。より新しい 1.8、2.6、3.5 ギガヘルツ の割り当ては、より短い距離により多くのデータを運びます。周波数が高いほど使える帯域幅は広がり、透過性は落ちます。網の世代ごとの設計は、つねにこの二つの事実のあいだの折り合いです。
計算機のクロック周波数は 2000 年ごろに ギガヘルツ の領域へ入り、その数年後に 4 の近くで止まりました。限界は熱にあります。消費電力は周波数とともに急に増え、およそ 4 ギガヘルツ を超えると通常の シリコン の処理装置は熱を捨てきれません。以後の性能の向上は、クロックを上げることではなく、コアを増やし、命令の発行を広げ、記憶階層を改善することから得られています。
衛星回線、レーダー、電波天文学もすべてここで働きます。気象レーダーはふつう 2.7 から 5.6 ギガヘルツ、航空管制のレーダーも似た帯域を使い、宇宙を満たす マイクロ波 背景放射は 160 ギガヘルツ 付近に山をもちます。地上の通信の範囲をはるかに上回る高さです。
24 ギガヘルツ 以上のミリ波の装置は、自動車の衝突回避レーダーや、携帯電話網でもっとも容量の大きい帯域に使われます。波長がきわめて短いので小さな空中線と巨大な伝送速度を実現できますが、雨や木の葉を含め、ほとんど何にでも遮られてしまいます。
1 ギガヘルツ は、10 億 ヘルツ、1000 メガヘルツ、0.001 テラヘルツ に等しくなります。
テラヘルツは、1 兆 ヘルツ にあたる振動数の単位です。記号は THz です。もっとも高い電波と、もっとも低い赤外線とのあいだの隙間を占めており、この領域は 20 世紀の大半を通じて、発生させることも検出することも難しかったため、テラヘルツギャップ と呼ばれてきました。
難しさは理論のものではなく実際上のものでした。電子式の発振器は数百 ギガヘルツ を超えると力尽きます。電荷を担う粒子が十分な速さで応じられないからです。一方、レーザーのような光の源は、赤外線より下では効率が落ちます。そのあいだの帯域には、どちらの側にも扱いやすい技術がなく、何十年ものあいだ、電磁波の帯のなかでもっとも調べられていない部分でした。
これを変えたのが、超高速のレーザーと光伝導アンテナです。数フェムト秒しか続かないレーザーのパルスを半導体に当てて、テラヘルツ のパルスを生み出します。いまでは テラヘルツ 時間領域分光法が、この帯域全体にわたる材料の応答を測っており、この手法は材料科学の標準的な道具になりました。
もっともよく知られた用途は保安検査です。テラヘルツ の放射は衣服、紙、樹脂、陶磁器を通り抜けますが、金属には遮られ、水には吸収されます。しかも光子 1 個あたりのエネルギーは、何かを電離させるにはあまりに小さいため、エックス線のような危険を伴わずに、隠された物を映し出せます。空港の身体検査装置はこの原理で働きます。
分子分光学がこの帯域を使うのは、多くの大きな分子がここに回転と振動の状態をもつからです。爆発物や薬物は テラヘルツ の特徴的な指紋を示し、この手法は製薬の品質管理で、ほかの方法では見分けのつかない結晶形を識別するのに使われます。美術品の保存は、画布に触れずに絵具の層の下を見るためにこれを用います。
天文学は、標高が高く乾いた場所か、あるいは軌道上からこの周波数を観測します。大気中の水蒸気が テラヘルツ の放射を強く吸収するからです。星が生まれる領域の冷たい塵と分子ガスはここで放射しており、チリの高地や南極点に観測所が築かれているのはそのためです。
通信 の 研究 は、この 帯 に 入り はじめました。資料 の 速さ は 使える 帯域 の 幅 とともに 増え、100 ギガヘルツ の 上 には その 下 より はるか に 広い 場所 が あります。ですから 実験 室 は、1 テラヘルツ に近い 周波 数 で 毎秒 数百 ギガビット を運ぶ 無線 の 経路 を示してきました。妨げ は、水 の 蒸気 が この 波 を 強く 吸う こと です。晴れた 空気 でも 数百 メートル、雨 なら はるか に 短い 距離 に 経路 が 限られます。それ が この 技術 を 短い 跳躍 に とどめます。屋上 の 空中 線 どうし の つなぎ、資料 の 中心 の 内側 の 経路、あるいは 街灯 から 建物 まで の 最後 の 一 区間 であって、放送 に似た もの ではありません。
1 テラヘルツ は、1 兆 ヘルツ、1000 ギガヘルツ、およそ 0.3 ミリメートル の波長に等しくなります。