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.

Israel sedang mempertimbangkan perluasan kampanye militernya secara signifikan di Lebanon, termasuk kemungkinan menargetkan Beirut, menurut laporan Channel 13 Israel.

Saluran tersebut mengatakan para pemimpin militer dan politik Israel sedang mendiskusikan peningkatan signifikan dalam kecepatan dan cakupan serangan ketika serangan terus meningkat di Lebanon.

Mengutip sumber keamanan, Channel 13 melaporkan bahwa diskusi mengenai tahap operasi berikutnya terus berlanjut, dan Perdana Menteri Israel Benjamin Netanyahu diperkirakan akan membuat keputusan akhir mengenai skala dan waktu eskalasi.

Laporan ini muncul ketika pasukan Israel mengintensifkan serangan mereka di Lebanon meskipun jumlah korban sipil meningkat, kehancuran yang meluas dan meningkatnya seruan internasional untuk gencatan senjata.

Metode desalinasi tradisional seperti osmosis balik dan distilasi termal bisa mahal dan boros energi. Mereka sering kali memerlukan perawatan kimia sebelum dan sesudah pengolahan air dan menghasilkan air garam pekat dalam jumlah besar yang disebut air garam. Ketika dilepaskan ke laut, air garam dapat merusak ekosistem laut dengan meningkatkan salinitas dan menurunkan kadar oksigen.

Para peneliti di Universitas Rochester telah mengembangkan pendekatan baru yang dapat mengatasi banyak tantangan ini. Sistem desalinasi bertenaga surya mereka menghasilkan air bersih secara efisien, beroperasi tanpa pengolahan awal secara kimia, dan menghindari timbulnya limbah air garam. Penelitian ini dipimpin oleh Chunlei Guo, profesor optik dan fisika serta ilmuwan senior di Laboratorium Energi Laser Universitas. Tim menggambarkan teknologi tersebut dalam jurnal Cahaya: sains dan aplikasi.

Panel surya yang diolah dengan laser mendorong proses ini

Sistem ini mengandalkan panel surya logam hitam yang dirancang khusus dan bertekstur dengan laser femtosecond. Perawatan ini memberi permukaan dua sifat penting. Ia menyerap hampir semua sinar matahari yang masuk dan sangat menarik air, suatu karakteristik yang dikenal sebagai superwicking.

Wilayah berpola laser aktif menarik lapisan tipis air laut pada panel. Saat sinar matahari diserap, air menguap dan disuling menjadi air tawar. Pada saat yang sama, garam dan mineral terlarut dipindahkan dari zona aktif dan diendapkan pada bagian panel yang tidak diolah yang disebut daerah pasif.

Dengan mengarahkan garam menjauh dari zona penguapan, desain ini mencegah penumpukan apa pun yang mungkin mengganggu kelanjutan pengoperasian.

Gunakan efek cincin kopi untuk mencegah penyumbatan

Guo mencatat bahwa beberapa teknologi desalinasi panas matahari telah menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam penelitian laboratorium menggunakan air laut sederhana yang hanya terdiri dari air dan natrium klorida.

Dalam percobaan ini, kristal natrium klorida terbentuk dalam struktur berpori yang longgar saat air menguap. Air dapat terus mengalir melalui kristal-kristal ini, melarutkannya dan membuat sistem relatif mudah dibersihkan.

Air laut sebenarnya jauh lebih rumit.

Selain natrium klorida, lautan mengandung banyak mineral terlarut lainnya. Bahan yang mengandung magnesium dan kalsium sering kali membentuk kerak yang keras dan padat saat mengkristal. Endapan ini dapat menghalangi aliran air dan kemungkinan menghentikan proses desalinasi.

Masalahnya mirip dengan penumpukan kerak mineral di ketel teh atau pancuran yang tersumbat seiring berjalannya waktu, hanya saja air laut mengandung konsentrasi garam terlarut yang jauh lebih tinggi.

Untuk mengatasi tantangan ini, tim Rochester dengan hati-hati merancang alur mikroskopis pada permukaan black metal. Pola ini mendorong garam dan mineral menjauh dari daerah aktif sebelum terakumulasi.

Para peneliti juga memanfaatkan fenomena fisik yang dikenal sebagai efek cincin kopi.

“Jika Anda menjatuhkan kopi ke permukaan, air pada akhirnya akan menguap dan Anda akan mendapatkan cincin di tepi luar yang berisi partikel kopi pekat,” kata Guo. “Kami menggunakan prinsip yang sama untuk memindahkan garam ke wilayah pasif.”

Ketika tim menguji teknologi tersebut menggunakan sampel air yang dikumpulkan dari Samudera Pasifik, Atlantik, dan Hindia, permukaannya secara efektif dibersihkan. Air tawar terus diekstraksi sementara garam dialirkan ke daerah pasif, yang kemudian dapat dikumpulkan tanpa mengurangi kinerjanya.

Pulihkan mineral berharga alih-alih menghasilkan limbah

Salah satu keuntungan terpenting dari sistem ini adalah apa yang terjadi pada sisa garam.

Desalinasi konvensional menghasilkan air garam cair yang harus diolah, dibuang atau dilepaskan ke lingkungan. Proses baru ini memulihkan hampir semua garam terlarut dalam bentuk padat.

Bahan-bahan yang diperoleh kembali ini dapat menjadi sumber daya yang berharga. Selain menghasilkan garam meja, proses ini dapat membantu mengekstraksi mineral penting seperti litium, bahan utama baterai litium-ion yang digunakan pada kendaraan listrik dan banyak barang elektronik konsumen.

Dalam penelitian terkait yang diterbitkan di Jurnal Kimia Material AGuo dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa panel surya superwick yang sama juga dapat memisahkan litium dari garam lainnya.

Untuk melakukan hal ini, para peneliti mengintegrasikan nanopartikel hidrogen titanat ke dalam alur mikroskopis di permukaan logam hitam. Partikel-partikel ini secara selektif mengisolasi litium dari mineral terlarut lainnya.

“Mengekstraksi litium dari Bumi terbukti sangat membebani dari sudut pandang energi dan lingkungan, sehingga mengekstraksi litium langsung dari air asin bisa menjadi jalur yang sangat penting di masa depan,” kata Guo.

Dengan menggunakan air dari Great Salt Lake di Utah, tim dapat memulihkan sekitar 50 persen litium yang terkandung dalam garam yang tersisa setelah desalinasi.

Potensi produksi air tawar skala besar

Meskipun teknologi tersebut sejauh ini hanya ditunjukkan pada perangkat pembuktian konsep, Guo yakin pendekatan ini dapat ditingkatkan secara signifikan.

Jika berhasil diperluas, sistem ini dapat membantu meningkatkan akses terhadap air bersih sekaligus menciptakan sumber mineral penting yang lebih berkelanjutan.

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation, Bill & Melinda Gates Foundation dan Global Universities Network. Kontributor Institut Optik lainnya termasuk ilmuwan senior Subash Singh, alumnus Ran Wei ’24 (PhD), mahasiswa doktoral Luheng Tang dan Tainshu Xu, dan Mingjiang Ma.

Qatar mengutuk serangan Israel yang terus berlanjut di Lebanon dan perluasan operasi darat Israel di selatan negara itu.

Dalam sebuah pernyataan, Kementerian Luar Negeri Qatar meminta komunitas internasional untuk bertindak dan menekan Israel untuk mengakhiri kampanye militernya.

“Negara Qatar mengutuk serangan Israel yang terus berlanjut terhadap Lebanon dan perluasan serangan darat ke wilayah selatan,” kata kementerian tersebut.

Ia juga mendesak negara-negara dunia untuk “memaksa otoritas pendudukan Israel menghentikan serangan mereka terhadap Lebanon.”

Qatar menegaskan kembali dukungannya terhadap kedaulatan dan integritas wilayah Lebanon, menekankan “sikap teguh” terhadap negara tersebut dan mendukung upaya memulihkan stabilitas dan keamanan.