Mendeteksi cahaya dan radiasi sangat penting dalam spektrum elektromagnetik, namun beberapa wilayah masih memiliki tantangan tersendiri. Salah satunya adalah rentang terahertz (THz), yang terletak di antara gelombang mikro dan cahaya inframerah. Detektor yang ada untuk frekuensi ini seringkali lambat, kurang sensitif, atau bergantung pada peralatan besar dan mahal yang seringkali memerlukan pendinginan kriogenik.
Para peneliti telah mengembangkan detektor kompak baru yang menggabungkan fisika kuantum dengan metasurface yang dirancang khusus untuk secara signifikan meningkatkan cara radiasi terahertz ditangkap dan diubah menjadi sinyal listrik. Temuan mereka baru-baru ini dipublikasikan di Fotonik Tingkat Lanjut.
Pendekatan kuantum untuk deteksi terahertz
Perangkat baru ini mengandalkan fenomena yang dikenal sebagai efek fotolistrik dalam pesawat. Dalam proses ini, foton terahertz yang masuk mentransfer energi ke elektron yang terkurung dalam gas elektron dua dimensi. Elektron yang tereksitasi ini melewati tahap potensial yang dirancang dengan cermat, menghasilkan arus listrik yang dapat diukur.
Berbeda dengan detektor fotolistrik konvensional, mekanisme ini tidak memerlukan foton melebihi ambang batas energi minimum. Karena proses berlangsung seluruhnya pada bidang material, hal ini juga menghindari beberapa batasan efisiensi yang membatasi desain detektor sebelumnya.
Detektor sebelumnya berdasarkan prinsip yang sama menunjukkan sensitivitas yang menjanjikan, namun hanya menangkap sebagian kecil dari radiasi yang datang karena bergantung pada elemen antena individual.
Metasurface memfokuskan radiasi ke wilayah deteksi kecil
Untuk mengatasi keterbatasan ini, tim peneliti merancang detektor di sekitar metasurface, sebuah struktur berpola yang memfokuskan energi elektromagnetik ke wilayah yang sangat kecil.
Perangkat ini menggunakan pola “batu” berulang yang memiliki dua tujuan. Ia mengumpulkan radiasi terahertz yang masuk dan menyalurkannya ke ruang sempit tempat proses deteksi berlangsung.
Setiap ruang berfungsi sebagai detektor individual. Dengan mendistribusikan beberapa elemen penginderaan ini ke seluruh permukaan dan menghubungkannya secara elektronik, para peneliti dapat menggabungkan hasil mereka menjadi sinyal keseluruhan yang lebih kuat.
Pendekatan ini menghilangkan kebutuhan akan optik eksternal atau susunan detektor yang rumit. Hal ini juga memastikan bahwa radiasi yang masuk terfokus hanya pada area yang berkontribusi langsung terhadap pembangkitan sinyal.
Integrasi pengumpulan dan deteksi cahaya
Daripada merancang detektor dan sistem pemanenan cahaya secara terpisah, tim memulai dengan metasurface itu sendiri dan membangun elemen penginderaan langsung di wilayah yang medan listriknya paling kuat.
Elemen penginderaan merdu fotolistrik individu (PETS) diintegrasikan di dalam ruang kapasitif metasurface.
“Hal ini memastikan penggabungan optimal antara metasurface dan elemen penginderaan,” kata penulis Wladislaw Michailow, yang memimpin penelitian di Universitas Cambridge dan kemudian di Universitas Swansea di Inggris.
“Dibandingkan dengan pendekatan konvensional yang menghubungkan beberapa perangkat secara paralel, pendekatan ini memungkinkan kami meningkatkan sensitivitas deteksi secara signifikan,” tambah Michailow.
Para peneliti menggunakan simulasi komputer untuk mengoptimalkan fitur struktural penting, termasuk dimensi celah dan jarak antar unit berulang. Parameter ini menentukan tingkat kekangan medan listrik dan jumlah arus foto yang dihasilkan. Desain akhir menyeimbangkan peningkatan lapangan dengan lebar saluran elektronik untuk memaksimalkan keluaran terukur.
Desain ramah semikonduktor
Detektor dibuat menggunakan struktur semikonduktor yang mengandung gas elektron dengan mobilitas tinggi. Proses pembuatannya mirip dengan teknik yang telah digunakan pada transistor efek medan, sehingga memberikan jalur praktis untuk integrasi dengan sistem elektronik yang sudah ada.
Karena metasurface itu sendiri memfokuskan radiasi yang masuk, komponen pemfokusan eksternal seperti lensa silikon tidak diperlukan. Hal ini menyederhanakan perakitan dan membuat manufaktur skala besar menjadi lebih praktis.
Untuk menguji perangkat tersebut, para peneliti mendinginkannya hingga 10 K dan memaparkannya pada radiasi mendekati 1,9 THz. Detektor menghasilkan respon listrik yang jelas yang sesuai dengan pola modulasi on-off dari sinyal yang masuk.
Efisiensi dikalikan dua puluh
Pengukuran menunjukkan daya tanggap 2,7 amp per watt.
Perangkat pembuktian konsep ini juga mencapai efisiensi kuantum eksternal sebesar 2,1% pada 1,9 THz, yang menunjukkan peningkatan sekitar dua puluh kali lipat dibandingkan detektor PETS yang telah ditunjukkan sebelumnya.
Menurut para peneliti, sebagian besar peningkatan kinerja ini berasal dari kemampuan metasurface untuk menangkap sebagian besar radiasi yang masuk dan memfokuskannya langsung ke wilayah aktif detektor.
Keuntungan lainnya adalah detektor beroperasi dengan bias sumber-saluran nol. Ini membantu mengurangi kebisingan dengan menghilangkan arus gelap.
“Perangkat ini adalah detektor langsung yang beroperasi dengan polarisasi nol dan oleh karena itu beroperasi tanpa arus gelap,” kata penulis pertama Ruqiao Xia, yang membuat dan mengukur perangkat tersebut sebagai bagian dari penelitian doktoralnya di kelompok fisika semikonduktor di Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge.
Karena desainnya dapat diukur secara geometris, konsep yang sama berpotensi diadaptasi untuk digunakan pada rentang frekuensi yang luas, dari gelombang mikro hingga panjang gelombang inframerah menengah.
Potensi penerapan di beberapa bidang
Arsitektur planar juga menawarkan keuntungan praktis. Karena kompatibel dengan teknik manufaktur semikonduktor standar, detektor dapat diintegrasikan langsung ke dalam perangkat elektronik on-chip.
Penggunaan metasurface datar menghilangkan kebutuhan akan penyelarasan komponen optik eksternal yang tepat, menyederhanakan pengemasan dan penerapan dibandingkan dengan banyak sistem terahertz yang ada.
Para peneliti juga percaya bahwa teknologi ini dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan banyak platform penginderaan pesaing. Detektor PETS serupa telah menunjukkan kinerja pada suhu yang dapat dicapai dengan cryo-cooler kompak dibandingkan memerlukan pendinginan dengan helium cair.
Hal ini dapat membantu menjembatani kesenjangan yang signifikan antara detektor kriogenik yang sangat sensitif dan perangkat suhu ruangan yang kurang sensitif, sehingga berpotensi memperluas jangkauan aplikasi terahertz di dunia nyata.
Studi ini merupakan demonstrasi pertama fotodetektor kuantum metasurface berdasarkan sistem elektronik dua dimensi. Dengan menggabungkan penangkapan cahaya yang sangat efisien dengan mekanisme penginderaan kuantum yang sensitif, pekerjaan ini menandai langkah penting menuju penyelesaian tantangan lama dalam teknologi terahertz.
“Hasilnya sangat menarik karena penerapan teknologi terahertz, di berbagai bidang seperti jaringan nirkabel, perawatan kesehatan, astronomi, biomedis, jaminan kualitas di bidang manufaktur, dan banyak lainnya,” kata rekan penulis David Ritchie, kepala Semiconductor Physics Group.
Dengan mengintegrasikan optik metasurface langsung ke dalam detektor itu sendiri, para peneliti menunjukkan bagaimana kemajuan dalam fisika kuantum dan teknik material dapat membantu membuka potensi penuh teknologi terahertz.
