## Kajian Gejala Penyearahan Optik pada Metamaterial Chiral
Juliasih Partini 1 , Kamsul Abraha 1 , Arief Hermanto 1 , Satoshi Tomita 2 , Matsui Takahiro 2
1 Jurusan Fisika FMIPA UGM, Sekip Utara, Yogyakarta, Indonesia
2 Quantum Material Science Laboratory, NAIST, Jepang Email: juliasih@ugm.ac.id
Received 30-05-2014, Revised 11-07-2014, Accepted 22-08-2014, Published 31-10-2014

## ABSTRACT
Chiral metamaterial is a new breakthrough in the fabrication of a metamaterial because of the capability  of  providing  different  refractive  index  values  for  each circular polarization  angle. This provides opportunities to obtain negative refractive index values, without the necessity to have simultaneously  negative  values for  both  permittivity  and  permeability. This  study investigated  the  optical  rectification,  which  is  the  phenomenon  of  second  order  non-linear optics  in  the  chiral  metamaterial. This  relates  to  the  testing  of  the  new  designs  of  square structure chiral metamaterial. Optical rectification is often used to 'rectify' femtoseconds laser from the realm of visible light into the terahertz domain. Nonlinear response of metamaterial was  observed  by  terahertz  emission  spectroscopy. The  results  showed  that  the  obtained terahertz signal is proportional to the square of the laser power used. This suggests that in the incoherent  optical  rectification, there  is  a  mixture  of  optical  rectification with  the  second harmonic wave generation. Development of square-structured chiral metamaterials is expected to be an alternative source of material due to the lack of non-linear material that can be used in the terahertz domain.
Keywords : Optical Rectification, Second order nonlinear optical, chiral metamaterials

## ABSTRAK
Metamaterial  Chiral  merupakan  terobosan  baru  dalam  fabrikasi  metamaterial  karena kemampuan  memberikan  nilai  indeks  bias  yang  berbeda  untuk  setiap  sudut  polarisasi circularnya.    Hal  ini  memberikan  peluang  diperolehnya  nilai  indeks  bias  negatif,  tanpa keharusan memiliki nilai permitivitas yang permeabilitas yang bernilai negatif secara serentak. Penelitian  ini  menyelidiki  penyearahan  optik  yang  merupakan  gejala  optika  non  linear  orde dua  pada  metamaterial chiral tersebut. Hal  ini  berkaitan  dengan  pengujian  desain  baru metamaterial  chiral  struktur  persegi. Penyearahan  optik seringkali digunakan  untuk ‘menyearahkan’  laser  femtodetik  dari  ranah  cahaya  tampak  menjadi  ranah  terahertz . Uji tanggap  non  linear dilakukan  dengan  menggunakan  spektroskopi  emisi  terahertz. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sinyal terahertz yang diperoleh sebanding dengan pangkat dua kekuatan  laser  yang  digunakan.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  dalam  penyearahan  optik inkoheren,  terdapat  percampuran  antara  gejala  penyearahan  optik  dengan  pembangkitan gelombang  harmonik  kedua. Pengembangan  metamaterial  chiral  struktur  persegi  ini diharapkan  mampu  menjadi  alternatif  di  tengah  masih  minimnya  sumber  bahan  non  linear yang bisa dipergunakan dalam ranah terahertz.
Kata  kunci: Penyearahan  Optik,  Optika  Non  Linear  Orde  Dua, Metamaterial  Chiral

## PENDAHULUAN
Tanggap  non  linear  pada  suatu  material  menjadi  salah  satu  gejala  yang  menarik  dalam penelitian  karena  masih  sangat  minimnya  sumber  bahan  non  linear  yang  bisa  dipergunakan dalam  ranah  terahertz [1] . Ranah  frekuensi  terahertz  pada  spektrum gelombang elektromagnetik  merupakan  ranah  frekuensi  yang  berada  di  antara  domain  gelombang frekuensi tinggi (microwave) dengan domain frekuensi infra merah jauh (far infrared). Ranah frekuensi  ini banyak  digunakan  dalam  penelitian  di  bidang  deteksi,  sensor,  maupun pencitraan  biomedis [2] .  Perkembangan  terbaru  penggunaan  sumber  gelombang  Terahertz membuka  kesempatan  untuk  memunculkan  efek  non  linear  pada  material-material  baru, seperti  semikonduktor [3] , sumur  kuantum [4] , ferroelectric [5] ,  maupun  metamaterial [6] . Ketaklinearan instrinsik yang ditimbulkan melalui rapat polarisasi maupun rapat magnetisasi non  linear  orde  dua  meliputi pembangkitan  cahaya  harmonik  kedua  (second  harmonic generation),  pembangkitan  medan  frekuensi  jumlah  (sum  frequency  generation), pembangkitan  cahaya  frekuensi  selisih  (different  frequency  generation),  penguatan parametrik (parametric amplification) maupun penyearahan optik (optical rectification).
Metamaterial  menjadi  bahan  yang  potensial  untuk  dikembangkan  dalam  studi  non  linear karena  cahaya dapat  dibatasi  dalam  skala  panjang  gelombang sehingga dapat diperoleh gelombang  dengan  intensitas  yang  tinggi.  Hal  ini  akan  memungkinkan  peningkatan sensitivitas  pada  bahan [7] . Struktur  metamaterial  baru  yang  disebut  sebagai  metamaterial struktur chiral menjadi  terobosan  dalam  fabrikasi  metamaterial [8] .  Metamaterial  struktur chiral lebih sederhana dalam fabrikasi, tanpa keharusan melibatkan dua elemen struktur yang digabung, tetapi mampu memberikan nilai indeks bias berbeda untuk setiap sudut polarisasi circularnya. Penelitian  ini  menyelidiki  gejala  penyearahan  optik  yang  merupakan  gejala optika  nonlinear  orde  dua  pada  struktur  metamaterial chiral persegi. Hasil  yang  diperoleh Tomita menjadi dasar dilakukannya penelitian ini [9] .

## METODE
Metamaterial  merupakan  material  buatan  dengan  indeks  bias  negatif,  yang  berarti  memiliki permitivitas elektrik dan permeabilitas magnetik bernilai negatif secara simultan. Indeks bias negatif  menjadi  salah  suatu  fenomena  yang  menarik  untuk  dikaji  dan  mendapat  perhatian yang  cukup  luas.  Tidak  hanya  berkaitan  dengan  cahaya  memiliki  arah  yang  ‘berbeda’  saat mengenai  metamaterial,  tetapi  juga  berbagai  pemanfaatan  dari  metamaterial  tersebut, misalnya untuk lensa sempurna, sensor biomedis, ataupun menjadi jubah tidak Nampak [10] . Dalam  metamaterial,  kita  mengganti  setiap  atom  penyusun  material  dengan  suatu  struktur buatan, sehingga memungkinkan material buatan tersebut memiliki nilai permitivitas ataupun nilai  permeabilitas  negatif.  Dalam  menggantikan  peran  atom  tersebut,  struktur  buatan  ini tentu  saja  harus  memiliki  ukuran  yang  lebih  kecil  dibanding  dengan  panjang  gelombang elektromagnetik yang digunakan.
Munculnya struktur  metamaterial  baru  yang  disebut  sebagai  metamaterial  struktur chiral membawa perubahan  yang signifikan dalam penelitian metamaterial. Adanya sifat instrinsik asimetri pada chiral memberikan lintas kopling antara medan listrik dan medan magnet pada metamaterial chiral.  Struktur  ini  menjawab  kesulitan  peneliti  dalam  mengembangkan metamaterial  selain metamaterial  konvensional  yang  menuntut  adanya  dua  struktur  yang sangat berbeda karakteristiknya dengan frekuensi resonansi yang sama.
Istilah chiral digunakan  untuk  menjelaskan  suatu  obyek  yang  tidak  mungkin  sama  persis dengan  obyek  semula  ketika  dikenakan  pencerminan.  Kata chiral ini  sendiri  berasal  dari bahasa  Yunani  yang  berarti  tangan,  yang  menjadi  contoh  paling  bagus  untuk  menjelaskan obyek chiral tersebut.  Tangan  kanan  tidak  akan  pernah  sama  persis  dengan  tangan  kiri, bagaimanapun  mengubah  orientasi pencerminannya [11] .  Hal  yang  sangat  kontras  bila  kita menggunakan  obyek achiral (non chiral),  dimana  dengan  menggunakan  rotasi  yang  sesuai akan  diperoleh  keadaan  yang  sama  dengan  awalnya.  Adanya  sifat  instrinsik  asimetri  pada chiral inilah  yang  memberikan  lintas  kopling  antara  medan  listrik  dan  medan  magnet  pada frekuensi  resonansinya. Lintas  kopling  medan  ini  relatif  rendah  pada  material chiral alami. Dengan demikian metamaterial chiral dapat digunakan untuk mendapatkan sifat chiral yang kuat karena desain pada skala panjang gelombangnya.
Material chiral dapat memberikan indeks bias yang berbeda untuk tiap polarisasinya. Relasi konstitusi yang  menghubungkan  antar  medan  dalam material  chiral  diberikan  dalam persamaan [12]
                    H E c i c i B D       0 0 / / (1)
dengan D adalah  pergeseran  elektrik, E adalah  medan  listrik, B adalah  medan  magnet, H adalah kuat medan magnet,  0 dan  0 adalah permeabilitas dan permitivitas vakum,  dan  adalah permeabilitas dan permitivitas bahan chiral, c adalah kecepatan cahaya, serta  adalah konstanta chiral yang menunjukkan kopling antara medan listrik dan medan magnet yang ada pada struktur chiral.
Indeks  bias  negatif  pada  struktur chiral tidak  harus  dibentuk  dengan  nilai  permitivitas  dan permeabilitas negatif pada frekuenesi resonansi yang sama. Indeks bias pada masing-masing gelombang terpolarisasi circular putaran kanan (n + ) dan putaran kiri (n _ ) akan dihubungkan oleh kontanta chiral  dalam persamaan berikut [13]
     n (2)
Dari  persamaan  (2)  nampak  bila  indeks  bias  negatif  dapat  diperoleh  dengan  nilai  yang relatif  besar. Gelombang  terpolarisasi  circular  pada  material chiral akan  mengalami perubahan  koefisien  transmisi  pada  frekuensi  resonansinya.  Hal  inilah  yang  memberikan kemampuan sebagai polarizer circular pada struktur chiral.
Telah dilakukan fabrikasi metamaterial chiral menggunakan Focused Ion Beam di Quantum Material  Science  Laboratory,  Nara  Institute of    Science  and  Technology  (NAIST),  Jepang serta  pengukuran  tanggap  non  linear  sampel  menggunakan  Spektroskopi  Emisi  Terahertz yang dilakukan di Osaka University, Jepang.
Design  baru yang  dibuat dalam  penelitian  ini berupa  pola  persegi  dengan  kedalaman  yang berbeda.  Dibuat  dua  macam  sampel,  yakni  sampel  dengan  fabrikasi  dalam  arah  putaran searah jarum jam dan dengan arah berlawanan arah jarum jam. Arah putaran yang berbeda ini akan  menentukan  kemiringan  yang  berbeda  pada  kedalaman  pola  tersebut.  Ukuran  struktur chiral persegi tersebut adalah panjang 1,2  m, lebar 0,3  m dan kedalaman 0,3  m, seperti yang  terlihat  pada  gambar  1  berikut. Dengan  berdasar  pola  tersebut,  dilakukan  fabrikasi menggunakan Focused Ion Beam sehingga diperoleh 2 macam sampel, yakni
 Sampel 1: 300 pola dengan putaran searah jarum jam
 Sampel 2 : 300 pola dengan putaran berlawanan arah jarum jam
(a) (b) (c)
Gambar 1. (color online) Pola Desain Metamaterial Chiral dengan arah putaran (a) searah jarum jam (b) berlawanan arah jarum jam (c) kedalaman pola sampel
Dilakukan  pengukuran  tanggap  non  linear  pada  sampel  yang  telah  berhasil  dibuat,  dengan menggunakan Spektroskopi Emisi Terahertz. Pengukuran sinyal terahertz menggunakan laser 100  fs  dengan  panjang  gelombang  sentral  800  nm.  Gambar  sistem  spektroskopi  emisi terahertz dan skema seperti yang terlihat pada gambar 2 berikut ini.
Gambar 2. (color online) Skema Spektroskopi Emisi Terahertz

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  eksperimen  tersaji  dalam Gambar  3  berupa  sinyal  terahertz  yang  berhasil  diperoleh, dengan  menggunakan  sampel  1  dan  sampel  2.  Dari  hasil  tersebut  terlihat  bahwa  perbedaan pola chiral yang digunakan (arah putaran sampel) tidak mempengaruhi sinyal terahertz yang diperoleh.
Dengan  menggunakan  Fourier  Transform dapat  diperoleh  spektrum  frekuensi,  yang menunjukkan sinyal terahertz diemisikan pada frekuensi 2 THz.
Gambar 3. (color online) Spektrum Sinyal Terahertz fungsi waktu.
Dengan  melakukan  variasi  pada  power  laser  pemompa,  diperoleh  ketergantungan  sinyal emisi  terahertz  terhadap  power  yang  digunakan.  Fitting  data  digunakan  untuk  menyajikan pendekatan  analitik yang  sesuai  dengan  gejala  penyearahan  optik  yang  terjadi  pada  sampel tersebut, seperti yang disajikan di Gambar 4.
Gambar 4. (color online) Grafik ketergantungan Input laser-power dengan sinyal terahertz pada sampel 1 dan sampel 2
Hasil  fitting  data  menunjukkan  bahwa  sinyal  terahertz  yang  diperoleh  sebanding  dengan pangkat  dua  input  power  laser  yang  digunakan.  Hal  ini  sesuai  dengan  pendekatan  analitik pada  proses  penyerahan  optik  yang  terjadi  pada  sampel  tersebut.  Pada  penyearahan  optik inkoheren, terdapat mixing antara gejala penyearahan optik dengan pembangkitan gelombang harmonik kedua pada sampel.

## KESIMPULAN
Secara  eksperimen  telah  berhasil  diperoleh  sinyal  emisi  terahertz  pada  metamaterial  chiral. Sinyal  terahertz  yang  diperoleh  sebanding  dengan pangkat  dua  kekuatan  laser,  yang menunjukkan adanya proses penyearahan optik pada sampel metamaterial chiral.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Liu, H., Li, G. X., Li, K. F., Chen, S. M., Zhu, S. N., Chan, C. T., dan Cheah, K. W., 2011, Linear  and  nonlinear  Fano  resonance on  two  dimensional  magnetic metamaterials, Physical Review B, 84, pp. 235437.
2 Sigh,  R.,  Plum,  E.,  Zhang,  W.,  dan    Zheludev,  N., 2010, Highly  tunable  optical activity  in  planar  achiral  terahertz  metamaterials, Optics  Express,  Volume  18, Number 13, pp. 13425 – 13430.
3 Fan, K., Hwang, H.Y., Liu, M., Strikwerda, A.C., Sternbach, A., Zhang, J., Zhao, X., Zhang, X., Nelson, K.A., dan Averitt, R.D., 2012, Nonlinear terahertz metamaterials via field-enhanced carrier dynamics in GaAs, arXiv:1208.1538.
4 Hirori,  H.,  Nagai,  M., dan  Tanaka,  K.,  2010, Excitonic  interactions  with  intense terahertz  pulses  in  ZnSe/ZnMgSSe  multiple  quantum  wells, Phys.  Rev. B, 81, pp. 081305.
5 Katayama, I., Aoki, H., Takeda, J., Shimosato, H., Ashida, M., Kinjo, R., Kawayam, I.,  Tonouchi,  M.,  Nagai,  M., dan  Tanaka,  K.,  2012,  Ferroelectric  soft  mode  in  a SrTiO3  thin  film  impulsively  driven  to  the  anharmonic  regime  using  intense picosecond terahertz pulses Phys. Rev. Lett. 108, pp. 097401.
6 Wang,  B., Jiangfeng,  Zhou,  Thomas,  Koschny,  Maria,  Kafesaki,  dan  Costas, Soukoulis, 2009, Chiral metamaterials: simulations and experiments, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11, pp.114003
7 Savinov, V., Fedotov, V. A., Anlage, S. M., Groot, P. A. J., dan Zheludev, N., 2012, Modulating  sub-THz  radiation  with  current  in  superconducting  metamaterial, Phys. Rev. Lett. 109, pp. 243904
8 Pendry, J.B, 2004, A Chiral Route to Negative Refraction, Science 306, pp. 1353 – 1355.
9 Tomita,  S.,  Kosaka,  Y.,  Yanagi,  H.,  dan  Sawada,  K., 2013,  Chiral  meta  interface  : Polarity  reversal  of  ellipticity  through  double  layers  consisting  of  transparent  chiral and absorptive achiral media, Phy. Rev. B 87, 041404 (R).
10 Smith,  D.  R.,  Pendry,  J.  B., dan  Wiltshire,  M.  C.  K., 2004, Metamaterials  and negative refractive index Science, 305, pp. 788 – 792.
11 Wang,  B.,  Zhou, J., Koschny,  T., dan  Soukoulis,  C.  M.,  2009, Nonplanar  Chiral Metamaterials with Negative Index, Appl. Phys. Lett., 94, pp. 151112.
12 Xiong, X., Sun, W.H., Bao, Y. J., Wang, M., Peng, R. W., Sun, C., Lu, X., Shao, J., Li, Z. F., dan Ming, N. B., 2010, Phys. Rev. B: Condens. Matter, 81, 075119.
13 Gamel, J.K., Thiel, M., Rill, S., Decker, M., Bade, K., Saile, V., Freyman, G., Linden, S., Wegener, M., 2009, Science, 325, 1513.