Teknologi Terahertz (THz) berguna dalam aplikasi seperti pencitraan biomedis, telekomunikasi, dan sistem penginderaan tingkat lanjut. Namun, karena sifat unik gelombang elektromagnetik dalam kisaran 0.1 hingga 10 terahertz, sulit untuk mengembangkan komponen berkinerja tinggi yang menunjukkan potensi sebenarnya dari teknologi terahertz. Bahkan desain komponen yang pada dasarnya tidak memiliki komponen seperti filter dan peredam masih merupakan tantangan besar.
Untungnya, munculnya metamaterial dapat menghasilkan solusi inovatif untuk masalah ini. Berkat kemajuan dalam teknologi fabrikasi dan pemrosesan, kini dimungkinkan untuk membuat struktur mikro berpola dua dimensi (2D) dengan sifat elektromagnetik unik dalam rentang terahertz, sehingga memungkinkan kontrol sinyal yang belum pernah terjadi sebelumnya pada frekuensi ini.
Meskipun berbagai metamaterial 2D (atau "permukaan hiper") telah diusulkan untuk material penyerap gelombang, sebagian besar masih memiliki keterbatasan yang serius. Masalah yang umum terjadi adalah ketika mode struktural bahan penyerap permukaan hiper telah diidentifikasi dan dibuat, sifat elektromagnetiknya tetap.
Ketidakmampuan ini membatasi kemungkinan penerapan perangkat tersebut. Di sisi lain, meskipun ada penyerap hiperpermukaan berbasis logam yang dapat disetel, penggunaan lapisan logam tipis tidak dianjurkan. Hal ini disebabkan oleh beberapa kelemahan, seperti sulitnya membuat struktur yang diperlukan dan kinerja yang buruk karena sifat bawaan logam.
Dalam konteks ini, tim Dr. Wenhan Cao di Universitas Sains dan Teknologi Shanghai telah mengembangkan penyerap metasurface merdu berbasis karbon baru dengan bandwidth merdu ultra lebar dalam kisaran terahertz. Penelitian yang dipimpin oleh Dr. Wenhan Cao ini baru-baru ini dipublikasikan di Advanced Photonics Nexus.
“Inti penyerap menggunakan struktur mikro graphene dan grafit sebagai resonator dan lapisan grafit sebagai permukaan pemantul balik.” Wenhan Cao menjelaskan, "Subunit berulang (atau 'sel') dalam penyerap metasurface terahertz ini telah dirancang secara strategis untuk mengoptimalkan efisiensi penyerapan berdasarkan empat faktor utama: geometri, sifat material, sensitivitas polarisasi, dan mekanisme penyetelan."
Dari segi geometri, penyerap terdiri dari tiga lapisan tipis. Lapisan atas adalah lapisan konduktif berpola yang mengandung cincin grafit konsentris yang dihubungkan oleh kabel graphene; lapisan kedua adalah dielektrik sederhana yang membantu menghilangkan gelombang elektromagnetik yang tidak diinginkan; dan lapisan ketiga merupakan lapisan penyerap yang mencegah gelombang terahertz menembus langsung melalui perangkat, sehingga memaksimalkan efisiensi penyerapan.
Pemilihan material dan desain geometris penyerap dioptimalkan dengan analisis dan simulasi numerik, yang berkontribusi terhadap penyerapan luar biasa dalam rentang terahertz. Khususnya, sifat utama dari penyerap yang diusulkan adalah kemampuan merdunya, yang berasal dari tingkat energi Fermi yang dapat ditala. Parameter ini sangat penting dalam teknologi material dan semikonduktor karena menentukan distribusi elektron pada tingkat energi yang berbeda.
Dengan menerapkan tegangan pada lapisan graphene, tingkat energi Fermi dapat diubah dan dengan demikian dengan mudah menyesuaikan bandwidth penyerapan. Dr. Wenhan Cao menekankan, "Pada tingkat energi Fermi sebesar 1 eV, penyerap yang diusulkan dapat mencapai bandwidth yang sangat lebar yaitu 8,99 THz, memberikan lebih dari 90% penyerapan dalam rentang frekuensi 7,24 hingga 16,23 THz, dengan dua puncak resonansi yang berbeda. pada 8,35 THz dan 14,70 THz."
Keuntungan signifikan lainnya dari desain yang diusulkan adalah ketidakpekaan terhadap sudut polarisasi radiasi yang datang. Penggunaan lingkaran konsentris dalam sel penyerap secara alami menghasilkan sifat menguntungkan ini. Lingkaran, karena bentuknya yang simetris sempurna, memungkinkan penyerap mempertahankan laju penyerapan yang tinggi pada sudut datang hingga 50 derajat.
Singkatnya, banyak keuntungan dari desain yang diusulkan dikombinasikan dengan kesederhanaannya merupakan terobosan nyata dalam teknologi terahertz." Penyerap yang diusulkan menawarkan struktur ultra-tipis, bebas logam sederhana dengan bandwidth serapan lebar yang dapat disesuaikan pada ketebalan rendah, yang sangat meningkatkan penerapannya. Keunggulan ini melampaui peredam lain yang dilaporkan.
Dalam waktu dekat, perangkat terahertz akan menjadi bagian dari teknologi sehari-hari, terutama di bidang kedokteran dan komunikasi, serta bidang yang lebih berorientasi pada penelitian seperti ilmu material dan biologi.
