国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学宇宙地球環境研究所の中島 拓 助教、鈴木 和司 技術補佐員（研究支援推進員）、自然科学研究機構国立天文台、株式会社川島製作所、及び国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT(エヌアイシーティー)）は、共同で、超伝導金属であるニオブを材料に用いたミリ波電波用の導波管を開発し、超伝導状態にある導波管の伝送損失が他の一般的な金属材料の導波管に比べて、桁違いに小さいことを発見しました。
超伝導体注3）を材料とする電波の伝送路は、同軸ケーブルや平面ストリップ線路などでは実用化されていますが、これらは比較的周波数の低い電波の伝送に限られています。次世代の通信規格であるBeyond 5G/6G注4）で利用が見込まれる100 GHzを超えるようなミリ波・サブミリ波・テラヘルツ波帯では、導波管と呼ばれる金属管による立体伝送路が使われますが、「超伝導導波管」の研究はこれまでほとんど行われていませんでした。理論的な先行研究では、超伝導による効果が逆に伝送損失を大きくしてしまい、実用的なものにはならないという予想もありましたが、本研究において実際に超伝導導波管を製作して伝送損失を測定した結果は、その予想を大きく覆すものでした。
本研究の成果を応用すると、既に導波管回路が利用されている宇宙観測用の電波望遠鏡や地球大気の環境計測装置などで、これまでにない超高感度な受信システムが実現できます。さらに、１００ ＧＨｚを超える周波数帯を用いるBeyond 5G/6G通信システムでも導波管が使用される可能性が高く、高効率な高周波情報通信の実現が期待されます。
本研究成果は、2023年8月8日付Journal of Physics誌「Conference Series Volume 2545」に掲載されました。
・超伝導金属であるニオブ注1）を用いてミリ波帯の導波管回路を開発した。
・難削材である純ニオブ材を高い精度で機械加工することに成功した。
・超伝導状態の矩形導波管注2）はミリ波の伝送損失が非常に小さいことを明らかにした。
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注1）ニオブ：
あらゆる金属元素の中で、最も高い温度（9.2 K=摂氏-263.8度）で超伝導性を示すため、超伝導薄膜や化合物として超伝導コイルの材料などに用いられる。機械特性としては難削材として分類され、加工が難しい。
注2）矩形導波管：
断面が長方形をした導波管。本研究で開発した導波管断面のサイズは1.27 mm × 2.54 mmで、100 GHz帯の電波の伝送に適している。
注3）超伝導体：
ある温度以下で電気抵抗がゼロになる物質。ただし、直流成分はゼロ抵抗であるが、交流成分はある有限の電気抵抗を持つため、電磁波の伝搬に対しては無損失の伝送路にはならない。
注4）Beyond 5G/6G：
2030年代に導入される次世代の情報通信インフラ。現行の5Gの特長である高速・大容量通信などの機能を更に高度化し、テラヘルツ波の実用化が期待されている。
雑誌名： Journal of Physics: Conference Series
論文タイトル： Propagation in Superconducting Niobium Rectangular Waveguide in the 100 GHz band
著者： Taku Nakajima, Kazuji Suzuki, Takafumi Kojima, Yoshinori Uzawa, Masayuki Ishino and Issei Watanabe （※下線は本学関係教員）
DOI : 10.1088/1742-6596/2545/1/012021
URL : https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2545/1/012021
