## Pembangkitan Terahertz pada Metamaterial Chiral Menggunakan Spektroskopi Emisi Terahertz
Juliasih Partini 1* , dan Restu Widiatmono 2
1 Departemen Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta
2 Jurusan Pendidikan Fisika, FMIPA UNY, Yogyakarta
* juliasih@ugm.ac.id

## ABSTRACT
Metamaterial is an artificial material  which  has a negative refractive index. Both of permitivitty and permeability have a negative value to possess negative refraction. The breakthrough of metamaterial development  was  present  as  the  invention  of  chiral  structure  metamaterial,  espescially  as  a  terahertz (THz) source. THz emission was measured using a femtosecond Ti:Sapphire pumped terahertz emission spectroscopy system. The chiral  metamaterial samples  have physical size as  follows: length 1,2  m, width 0,3  m, and depth 0,3  m. It has been produced dua chiral metamaterial samples, which are 300 periodic  square  pattern  samples  which  consist  of  a  clock-wise  as  a  right-hand  sample  and  a  counter clock-wise as a left-hand sample. The all of samples were capable to generate a THz emission over a frequency range of 0  2,24 THz. THz signal was occurred due to the optical rectification process as a result of an intense femtosecond laser pulses radiation on a chiral metamaterial sample. The experiment result showed that the relation between the pumping laser energy and the generated THz amplitude was a  second-order  function.  It  can  be  concluded  that  chiral  metamaterial  with  different  depth  has  been successfully generate elliptic polarized THz emission.
Keywords : Terahertz, chiral metamaterials, terahertz emission

## ABSTRAK
Metamaterial  adalah  material  buatan  dengan  indeks  bias  negatif  dan  secara  simultan  memiliki permitivitas  elektrik  dan  permeabilitas  magnetik  bernilai  negatif.  Pengembangan  metamaterial mengalami terobosan dengan munculnya struktur metamaterial baru yang disebut sebagai metamaterial struktur chiral sebagai  sumber  radiasi  terahertz  (THz).  Pengukuran  sinyal  emisi  THz  dilakukan menggunakan sistem spektroskopi emisi terahertz dengan sistem laser Ti:Sapphire femtosekon sebagai sumber  radiasi.  Sampel  metamaterial chiral dengan  ukuran  panjang  1,2  m,  lebar  0,3  m  dan kedalaman 0,3  m susunan 300 struktur dengan arah putar kanan dan putar kiri. Kedua sampel mampu membangkitkan emisi gelombang THz dalam jangkau frekuensi 0  2,24 THz. Proses rektifikasi optik diperlihatkan oleh adanya pembangkitan gelombang THz pada sampel metamaterial chiral oleh laser femtosekon. Hasil eksperimen memperoleh hubungan kuadratik antara energi laser pemompa dengan amplitudo  gelombang  THz.  Hal  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  metamaterial chiral persegi  dengan kedalaman berbeda telah berhasil membangkitkan emisi gelombang THz yang terpolarisasi eliptik.
Kata kunci : Terahertz, metamaterial chiral, emisi terahertz

## PENDAHULUAN
Ranah  frekuensi  terahertz  (THz)  baik  mengenai  sumber  radiasi,  detektor,  antena, spektroskopi, pencitraan dan lain-lain, merupakan salah satu topik riset yang cukup banyak menarik  perhatian  pada  saat  ini.  Frekuensi  sumber  radiasi  ini  berada  di  antara  300  GHz sampai 3 THz atau pada panjang gelombang 0,1 mm sampai 1 mm. Sumber-sumber yang tersedia saat ini baik dari kelompok elektronik maupun dari fotonik masih memiliki keluaran pada level microwatt [1] . Hal ini memunculkan agresivitas penelitian karena letak frekuensi THz  ini  berada  belum  banyak  dijangkau  oleh  sumber  gelombang  lain  yang  dibuat  oleh manusia. Frekuensi THz memberi kemungkinan untuk mendeteksi material yang tersimpan di dalam suatu obyek. Gelombang THz dapat menembus berbagai material seperti tembok, pakaian,  pembungkus  paket,  dan  lainnya  dari  jarak  ratusan  meter,  tetapi  tidak  akan menembus jaringan tubuh manusia. Radiasi THz dengan demikian mampu menjadi sumber yang ideal  untuk  mendeteksi  benda-benda  yang tersembunyi  di  balik baju. [2] Gelombang THz  juga  dapat  digunakan  untuk  mendeteksi  komposisi  kimia  sebuah  material [3] .  Pada bidang komunikasi, ranah frekuensi THz menjanjikan super-broadband atau transfer data yang berlipat-lipat dari capaian  yang ada pada saat ini [4] . Penelitian terkini menunjukkan ranah  frekuensi  ini  mulai  banyak  digunakan  untuk  deteksi,  sensor,  maupun  pencitraan biomedis [5] .  Perkembangan  terbaru  penggunaan  sumber  gelombang  THz  telah  membuka kesempatan  untuk  memunculkan  efek  non  linier  pada  material-material  baru,  seperti semikonduktor [6] , sumur kuantum [7] , ferroelectric [8] maupun metamaterial konvensional [9] .
Rektifikasi optik merupakan salah satu proses yang terjadi dalam optika non linier orde dua yang dijelaskan dari sifat simetri medium non linier yang menghasilkan polarisasi dc pada gelombang  sinusoidal [10] .  Rektifikasi  optik  mampu  mengubah  medan  listrik  sinusoidal menjadi polarisasi searah. Perubahan polarisasi ini terjadi jika terjadi cahaya datang dengan intensitas  yang  meningkat [11] .  Gambar  1  menunjukkan  mekanisme  pembangkitan gelombang THz pada proses rektifikasi optik. Cahaya dengan intensitas tinggi, dalam hal ini laser  pulsa  femtosekon,  ditembakkan  pada  suatu  bahan  non  linier.  Interaksi  laser  pulsa dengan medium akan menghasilkan polarisasi non linier pada bahan.
Gambar 1 . Mekanisme pembangkitan gelombang THz
Pada  proses  rektifikasi  optik,  berlangsung  proses  percepatan/perlambatan  muatan  (yang terikat  dalam  bentuk  dipol)  serta  pembangkitan  gelombang  THz  yang  bergantung  pada suseptibilitas orde dua (  ) dari bahan non linier optik yang digunakan. Bahan yang umum digunakan  pada  detektor  pembangkitan  radiasi  jangkau  0,5  –  3  THz  adalah  ZnTe  ( Zinc telluride ). Seperti halnya pada proses optika non linier yang lain, maka pada rektifikasi optik juga  didapatkan  penguatan  ( enhanced )  saat surface  plasmon tereksitasi  pada  permukaan metal  yang  digunakan.  Pada  rektifikasi  optik  juga  berlangsung  proses  pengepasan  fase
optika  di  bahan  nonsentrosimetrik  seperti  ZnTe  dan  LiNbO 3 [12] .  Koefisien  konversi  dari energi  gelombang  cahaya  tampak  menjadi  energi  gelombang  THz  masih  sangat  terbatas nilainya yaitu 10 -6 sampai 10 -9 . Selain itu, penelitian rektifikasi optik yang merupakan salah satu  tanggap  non  linier  pada  suatu  material  menjadi  sangat  menantang,  karena  masih minimnya sumber bahan non linier yang dapat digunakan dalam ranah THz [13] .
Riset  metamaterial  telah  diawali  dengan  kajian  teoritis  sifat-sifat  elektrodinamika  bahan berindeks  bias  negatif  dan  visualisasi  grafisnya.  Riset  teoritis  ini  kemudian  dilanjutkan dengan kajian yang lebih spesifik tentang magnetic surface plasmon resonance pada bahan metamaterial. Secara khusus riset metamaterial chiral diawali pengusul dengan melakukan kajian teoritis gejala non linear pada bahan metamaterial dan gejala circular dichroism pada metamaterial chiral [14] . Hasil yang diperoleh memperlihatkan adanya perubahan polaritas dan eliptisitas pada struktur chiral yang digunakan. Berdasarkan hasil tersebut, dilakukan penelitian yang difokuskan pada struktur chiral yang dibuat di atas suatu lapisan tipis perak menggunakan  sistem Focused  Ion  Beam (FIB).  Spektroskopi  Emisi  Terahertz  digunakan untuk menyelidiki munculnya pancaran sinyal THz yang merupakan gejala optika non linier pada  struktur  metamaterial chiral .  Hal  ini  dilakukan  untuk  melihat  performa  bahan metamaterial yang dikembangkan sebagai alternatif sumber radiasi terahertz [15] .

## METODE
Bahan utama yang digunakan dalam penelitian adalah metamaterial chiral struktur persegi berbahan  dasar  perak  (Ag)  dengan  dua  arah  putaran  yang  berbeda.  Gambar  2 memperlihatkan pola desain chiral dengan ukuran struktur chiral persegi dengan panjang 1,2  m, lebar 0,3  m, dan kedalaman 0,3  m. Arah panah yang membentuk arah putar kanan atau putar kiri menunjukkan kedalaman yang berbeda pada tiap pola persegi yang dibentuk di atas lapisan tipis perak.
Gambar 2. Desain Metamaterial Chiral (a) sampel 1 (arah ) (b) sampel 2 (arah putar kiri)  (c) kedalaman pola sampel
Fabrikasi sampel menggunakan Focus Ion Beam (FIB) menghasilkan sampel yang mewakili perbedaan putaran chiral dan perbedaan jumlah struktur, yakni sampel 1 yang merupakan metamaterial chiral persegi  yang terdiri  dari 300 struktur putar kanan (searah jarum  jam) dan Sampel 2 berupa  metamaterial chiral persegi  yang terdiri dari 300 struktur putar kiri (berlawanan  arah  jarum  jam).  Gambar  3  memperlihatkan  beberapa  citra  SEM  yang diperoleh, yakni  (a) Sampel 1 (LEI) dengan perbesaran 17.000  (b) Sampel 1 (LEI) dengan perbesaran  9.000  (c)  Sampel  2  (SEI)  dengan  perbesaran  12.000  dan  (d)  Sampel  2  (SEI) dengan perbesaran 5.000.
(a)                                            (b)                                                (c)                                            (d)
Gambar 3 . Pengamatan SEM metamaterial chiral
Citra  SEM  metamaterial  pada  Gambar  3  menunjukkkan  gradasi  warna  hitam  pada  setiap persegi yang ada di struktur chiral , baik untuk sampel dengan putar kiri maupun putar kanan. Gradasi  warna  hitam  menunjukkan  kedalaman  sampel  yang  berbeda,  yang  menjadi  dasar adanya chirality pada  struktur chiral .  Hasil  pengamatan  SEM  secara  keseluruhan memperlihatkan  bahwa  metamaterial chiral persegi  yang  dihasilkan  memiliki  permukaan planar  dan  tidak  memiliki  cacat  pada  struktur  maupun  permukaan  material.  Pengukuran tanggap  non  linear  pada  sampel  metamaterial chiral persegi  menggunakan  spektroskopi emisi terahertz. Gambar 4 menunjukkan susunan sistem spektroskopi emisi terahertz yang digunakan dalam eksperimen ini.

## Gambar 4 . Skema Spektroskopi Emisi Terahertz
Sistem  spektroskopi  ini  menggunakan  sumber  radiasi  berupa  laser  Ti:Sapphire  amplified regeneratif 100 fs dengan panjang gelombang sentral 800 nm. Laser ini, dalam pengukuran sinyal  Terahertz,  menggunakan  mode  signal  pulsa.  Berkas  laser  Ti:Sapphire  kemudian terbagi  menjadi  dua,  yakni  berkas  laser probe dan  berkas  laser  pemompa,  dengan menggunakan sebuah Beam Splitter (BS). Berkas laser pemompa melewati chopper yang diatur  pada  frekuensi  500  Hz  dan  kemudian  mengenai  sampel  metamaterial chiral yang ditempatkan  pada  posisi  45  terhadap  arah  datangnya  berkas.  Serapan  energi  laser  oleh sampel metamaterial chiral akan menyebabkan proses non-linear di dalam matamaterial dan menghasilkan emisi THz. Setelah sampel mampu menghasilkan emisi THz, digunakan NIR filter (berupa  gabus polystyrene yang  dilengkapi  dengan polyethylene hitam)  untuk mengantisipasi kemungkinan kebocoran berkas NIR yang menyertai gelombang THz. Emisi THz  yang  diperoleh  kemudian  digabungkan  dengan  berkas  laser probe yang  menuju  ke detektor elektro optik ZnTe. Parabolic mirror (PM) digunakan untuk mengarahkan emisi THz tersebut agar emisi yang dihasilkan bertemu dengan berkas laser probe dan menuju ke detektor.  Sinyal  keluaran  dari  fotodetektor  kemudian  dimasukkan  ke  sebuah lock-in amplifier .  Berkas  laser  probe  pada  saat  bersamaan  diarahkan  melalui  sebuah delay  stage yang  diatur  menggunakan  program  Labview  210.  Perangkat  yang  digunakan  dalam
pengaturan  ini  adalah  Labview  210,  SR830 lock-in  amplifier dan  Mark-204 Storage Controller .
Sinyal  THz  diperoleh  melalui scanning delay  stage berkas  probe  serta  mencatat  respon fotodioda  pada  tiap-tiap  waktu.  Transformasi  fourier  digunakan  untuk  mendapatkan spektrum  sinyal  THz  dalam  fungsi  frekuensi.  Analisa  hasil  sinyal  THz  digunakan  untuk memahami  mekanisme  pembangkitan  gelombang  THz  sebagai  salah  satu  hasil  proses interaksi  non  linier  antara  gelombang  elektromagnetik  dengan  medium chiral .  Analisa rektifikasi optik didasarkan pada pengukuran amplitudo sinyal THz terhadap input daya laser femtosekon yang digunakan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis gejala optika non linear pada metamaterial chiral dilakukan dengan spektrum emisi yang terbentuk pada masing-masing sampel. Hasil ini digunakan untuk menguji kemampuan sampel  untuk  memancarkan  gelombang  THz. Waveform THz  diperoleh  berdasarkan scanning pada delay  stage berkas  probe  serta  respon  fotodioda  untuk  tiap  satuan  waktu tunda. Spektrum emisi THz pada metamaterial chiral persegi yang tersusun atas 300 struktur memiliki bentuk sinyal seperti yang nampak pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Gambar 5 . Spektrum THz metamaterial chiral struktur putar kanan (Sampel 1)
Gambar 6 . Spektrum THz metamaterial chiral struktur putar kiri (Sampel 2)
Sampel 1 dan sampel 2 dalam masing-masing  gambar adalah sampel metamaterial chiral yang memiliki susunan 300 struktur dengan arah putaran yang berbeda. Sinyal yang terukur merupakan  amplitudo  medan  listrik  gelombang  THz  yang  sebanding  dengan  intensitas
gelombang THznya. Spektrum THz untuk sampel metamaterial chiral , baik untuk arah putar kanan maupun putar kiri, menunjukkan bahwa emisi THz berlangsung dalam frekuensi 0  2,24  THz.  Amplitudo  pada  spektrum  THz  metamaterial chiral persegi  putar  kiri  nampak sedikit  lebih  tinggi  dibanding  dengan  amplitudo  pada  sampel  metamaterial chiral persegi putar kanan. Hal ini menunjukkan adanya peningkatan surface plasmon pada permukaaan sampel  metamaterial chiral persegi  putar  kiri  yang  bersesuaian  dengan  frekuensi  emisi gelombang  THz.  Garis-garis  serapan  dengan  besar  frekuensi  yang  hampir  sama  pada spektrum THz di kedua sampel menunjukkan gejala yang sama menyertai proses emisi THz. Garis-garis serapan ini muncul karena adanya serapan molekul uap air pada frekuensi THz di  sekitar  sampel.  Hal  ini  menegaskan  bahwa  ketidakhalusan  spektrum  emisi  THz  yang dihasilkan  oleh  sampel  metamaterial chiral memang  disebabkan  oleh  serapan  uap  air  di sekitar  sampel.  Beberapa    penelitian  yang  mengimplementasikan  box  vakum  udara  pada setup spektroskopi  terahaertz  mampu  mengurangi  pengaruh  serapan  uap  air  di  sekitar sampel. Spektrum kontinyu yang diperoleh menjadi lebih halus tanpa kehadiran garis-garis serapan dalam jangkau frekuensi emisi tersebut [16] .
Proses rektifikasi optik pada sampel metamaterial dapat diamati dengan melakukan variasi energi laser pemompa dan melihat pengaruhnya terhadap sinyal emisi THz yang dihasilkan. Hasil pengukuran variasi daya laser pemompa ( pump power ) terhadap amplitudo gelombang THz pada sampel metamaterial chiral ditunjukkan pada Gambar 6. Pada gambar tersebut, keterangan angka dalam tanda kurung menunjukkan hubungan pangkat antara gelombang THz dengan laser pemompa yang digunakan.
Gambar 6 . Grafik logaritmik rektifikasi optik sampel metamaterial chiral
Hasil fitting data kedua grafik logaritmik rektifikasi optik menyatakan bahwa sinyal emisi THz  yang  diperoleh  sebanding  dengan  pangkat  dua  energi  laser  yang  digunakan. Karakteristik optika non linier suatu material dijabarkan dengan menguraikan polarisasi non linier P NL dalam fungsi  pangkat medan listrik E Dapat disimpulkan bahwa polarisasi non linier  tersebut  sebanding  dengan  pangkat  dua  dari  medan  listriknya.  Polarisasi  non  linier mewakili  gelombang  THz  sedangkan  medan  listrik  mewakili  energi  laser  pemompa, sehingga dapat dinyatakan bahwa gelombang THz yang muncul pada proses rektifikasi optik sebanding dengan pangkat dua laser pemompanya.

## KESIMPULAN
Kedua sampel mampu membangkitkan emisi gelombang THz dalam jangkau frekuensi 0  2,24 THz. Respon non linear pada sampel metamaterial ditinjau dari proses rektifikasi optik.
Proses  ini  juga  diperlihatkan  oleh  adanya  pembangkitan  gelombang  THz  pada  sampel metamaterial chiral oleh  laser  femtosekon.  Pada  gelombang  THz,  energi  laser  pemompa akan  sebanding  dengan  medan  listrik  dan  amplitudo  sebanding  dengan  polarisasi  non liniernya. Hasil penelitian menunjukkan hubungan kuadratik antara energi laser pemompa dengan amplitudo gelombang THz.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Peter, H., & Siegel, P.H. 2002. Terahertz technology. IEEET Microwave Theory , 50, 910  928
2 Parthasarathy, R., Globus, T., Khromova, T., Swami, N., & Woolard, D. 2005. Dielectric properties of biological molecules in the Terahertz gap. Applied Physics Letters, 87, 11, 113901
3 Davies, A.  G.,  Burnett, A.  D.,  Fan,  W.,  Linfield,  E  H.,  &  Cunningham,  J.  E.  2008. Terahertz spectroscopy of explosives and drugs. Materials Today , 11, 3, 18 – 26
4 Dragoman,  D.  2004.  Terahertz  Fields  and  Applications. Progress  in  Quantum Electronics , 28, 1, 1 – 66
5 Sigh, R., Plum, E., Zhang, W., &  Zheludev, N. 2010. Highly tunable optical activity in planar achiral terahertz metamaterials. Optics Express , Vol. 18, No. 13, 13425 – 13430
6 Fan, K., Hwang, H.Y., Liu M., Strikwerda, A.C., Sternbach, A., Zhang, J., Zhao,  X., Zhang, X., Nelson, K.A., & Averitt, R.D. 2013. Nonlinear terahertz metamaterials via field-enhanced carrier dynamics in GaAs. Physical Review Letters , 110, 217404
7 Hirori, H., Nagai, M., & Tanaka, K. 2010. Excitonic interactions with intense terahertz pulses in ZnSe/ZnMgSSe multiple quantum wells. Physical Review B, 81 , 081305
8 Katayama, I., Aoki, H., Takeda, J., Shimosato, H., Ashida, M., Kinjo, R., Kawayama, I., Tonouchi, M., Nagai, M., & Tanaka, K. 2012. Ferroelectric soft mode in a SrTiO3 thin film impulsively driven to the anharmonic regime using intense picosecond terahertz pulses. Physical Review Letters, 108 , 097401
9 Wang,  B.,  Zhou,  J.,  Koschny,  T.,  &  Soukoulis,  C.M.  2009.  Nonplanar  Chiral Metamaterials with Negative Index. Applied Physics Letters, 94, 151112
10 Kadlec, F., Kuzel, P., & Countaz, J.L. 2005. Study of terahertz radiation generated by optical rectification on thin gold films . Optics Letters , Vol. 30, No. 11, 1402 – 1404
11 Hatano, T., Nishikawa, B., Iwanaga, M, & Ishihara, T. 2008. Optical rectification effect in 1D metallic photonic crystal slabs with asymmetric unit cell. Optics Express , Vol. 16, No. 11, 8236 – 8241
12 Kanda,  N.,  Konishi,  &  Kuwata-Gonokami,  M.  2007.  Terahertz  wave  polarization rotation  with  double  layered  metal  grating  of  complimentary  chiral  patterns. Optics Express , Vol. 15, No 18, 11117 – 111125
13 Liu, H., Li, G.X., Li, K.F., Chen, S.M., Zhu, S.N, Chan, C.T., & Cheah, K.W. 2011. Linear  and  nonlinear  Fanoresonance  on  two-dimensional  magnetic  metamaterials. Physical Review B, 84 , 235437
14 Juliasih,  P.,  Kamsul,  A.,  &  Arief,  H.  2017.  Chirality  Analysis  on  a  Square  Chiral Metamaterial. Materials Science Forum , Vol 901, 65-68
15 Juliasih,  P.,  Kamsul, A., Arief,  H.,  Satoshi,  T.,  &  Matsui,  T.  2015.  Terahertz  Signal Measurement  on  a  Chiral  Metamaterial  Using  Terahertz  Emission  Spectroscopy. Applied Mechanics and Materials . Vol. 771, 125 – 128
16 Ramakrishnan, G., & Planken, C.M. 2011. Percolation-enhanced generation of terahertz pulses by optical rectification on ultrathin gold film. Optics Letters , Vol. 36, No. 13, 2572 - 2574