Pengantar Band Terahertz

Pelajari tentang pita terahertz, propertinya, dan aplikasi tempat utilitasnya ditemukan.

Jika Anda pernah mendengar istilah "celah THz" tetapi tidak tahu apa artinya, artikel ini cocok untuk Anda.

Spektrum Terahertz

Radiasi Terahertz (THz) secara umum didefinisikan sebagai wilayah spektrum elektromagnetik dalam kisaran 100 GHz (3 mm) hingga 10 THz (30 m), yang berada di antara frekuensi milimeter dan inframerah. Pita THz disebut dengan beberapa nama, seperti gelombang sub-milimeter, inframerah jauh, dan milimeter dekat.

Pada 1 THz, sinyal yang dipancarkan memiliki karakteristik sebagai berikut:

• Panjang gelombang: 300 m di ruang kosong
• Periode: 1 ps,
• Energi foton: 4,14 meV

Selain itu, hf/k_B =suhu 48 K di mana h adalah konstanta Planck (6.62670004 × 10 ^-34 J.s), f adalah frekuensi, dan k_B adalah konstanta Boltzmann (1,380649×10 ⁻²³ J/K).

Pita THz dalam spektrum elektromagnetik ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Diagram skema yang menunjukkan lokasi pita THz dalam spektrum elektromagnetik

Bagian spektrum elektromagnetik ini adalah daerah yang paling sedikit diselidiki jika dibandingkan dengan daerah tetangga, yaitu gelombang mikro dan pita optik.

Inilah sebabnya mengapa istilah "celah THz" digunakan untuk menjelaskan masa awal pita ini dibandingkan dengan daerah spektral tetangga yang berkembang dengan baik. Hal ini telah mengarahkan para peneliti dari berbagai murid (seperti fisika, ilmu material, elektronik, optik, dan kimia) untuk menyelidiki berbagai aspek gelombang THz yang belum atau kurang dieksplorasi.

Sifat Gelombang Terahertz

Meskipun minat di wilayah THz berasal dari tahun 1920-an, studi ekstensif telah dikhususkan untuk wilayah ini hanya dalam tiga dekade terakhir. Motivasi utama untuk ini adalah sifat gelombang yang luar biasa dan kemungkinan aplikasi yang luas dalam rentang frekuensi THz.

Gelombang THz memiliki karakteristik tengah dari dua pita yang diapit di antaranya.

Sifat-sifat ini dapat diringkas sebagai berikut:

1. Penetrasi: Panjang gelombang radiasi THz lebih panjang dari panjang gelombang inframerah; karenanya, gelombang THz memiliki hamburan yang lebih sedikit dan kedalaman penetrasi yang lebih baik (dalam kisaran cm) dibandingkan dengan gelombang inframerah (dalam kisaran m). Oleh karena itu, bahan kering dan non-logam transparan dalam kisaran ini tetapi buram dalam spektrum yang terlihat.
2. Resolusi: Gelombang THz memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dibandingkan dengan gelombang mikro; ini memberikan resolusi pencitraan spasial yang lebih baik.
3. Keamanan: Energi foton di pita THz jauh lebih rendah daripada sinar-X. Oleh karena itu, radiasi THz adalah non-pengion.
4. Sidik jari spektral: Mode antar dan intra-getaran dari banyak molekul terletak pada kisaran THz.

Tantangan dalam Mengembangkan Pita THz

Meskipun pita THz memiliki beberapa karakteristik yang menarik, ada beberapa tantangan khusus untuk teknologi THz. Alasan utama bidang THz kurang berkembang dibandingkan dengan pita tetangga adalah kurangnya sumber dan detektor THz yang efisien, koheren, dan kompak.

Karakteristik untuk sumber ini dapat ditemukan pada sumber frekuensi gelombang mikro yang umum seperti transistor atau antena RF/MW, dan pada perangkat yang bekerja dalam jangkauan sinar tampak dan inframerah seperti dioda laser semikonduktor. Namun, tidak mungkin mengadopsi teknologi ini untuk operasi di wilayah THz tanpa pengurangan daya dan efisiensi yang signifikan.

Di ujung bawah rentang frekuensi THz, perangkat elektronik solid-state digunakan secara umum; namun, perangkat tersebut memiliki roll-off 1/f ² karena efek reaktif-resistif dan waktu transit yang lama. Di sisi lain, perangkat optik seperti laser dioda tidak bekerja dengan baik pada batas jangkauan THz karena kurangnya bahan dengan energi celah pita yang cukup kecil.

Tantangan lain di pita THz adalah kerugian yang tinggi. Gelombang THz memiliki daya serap tinggi pada situasi atmosfer dan lingkungan lembab. Redaman atmosfer di seluruh spektrum elektromagnetik digambarkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Redaman di permukaan laut untuk situasi atmosfer yang berbeda:Hujan =4 mm/jam; Kabut =jarak pandang 100 m; STD =7,5 g/m ³ uap air; 2×STD =15 g/m ³ uap air. Gambar dari M. C. Kemp melalui IEEE Xplore

Jelas bahwa degradasi sinyal dalam rentang THz jauh lebih besar daripada gelombang mikro dan pita inframerah. Itu sebagian karena molekul air beresonansi dalam kisaran ini.

Karakteristik atmosfer yang merugikan dari gelombang THz menjadikannya wilayah frekuensi kerja yang sesuai untuk dua kasus berikut:

• Aerospace: Di luar angkasa, ambient hampir vakum sehingga penyerapan sinyal dan redaman akibat tetesan air tidak menjadi masalah. Juga, tanda spektral debu antarbintang terletak di wilayah THz. Oleh karena itu, teknologi THz telah banyak digunakan dalam radio astronomi seperti peluncuran Herschel Space Observatory oleh European Space Agency.
• Jarak pendek: Untuk aplikasi jarak pendek, redaman atmosfer dapat diabaikan, terutama frekuensi dengan penyerapan tinggi. Ini membuat penghapusan/pengenalan efek garis-garis sempit ini lebih mudah. Oleh karena itu, teknologi THz adalah alat yang sangat berguna untuk penyelidikan mendasar dalam berbagai disiplin ilmu seperti fisika dan kimia. Selain itu, ini merupakan pilihan menarik untuk komunikasi nirkabel jarak pendek dengan kecepatan data tinggi.

Aplikasi Radiasi Terahertz

Radiasi THz dapat digunakan di banyak aplikasi potensial termasuk pencitraan terahertz, spektroskopi, dan komunikasi nirkabel.

Pencitraan biomedis adalah salah satu subkategori pencitraan THz. Gelombang THz dapat menembus hingga beberapa ratus mikrometer dalam jaringan manusia; sehingga pencitraan medis THz dapat diterapkan untuk diagnosis permukaan tubuh seperti deteksi kanker kulit, mulut, payudara, dan pencitraan gigi. Selain itu, sistem THz memiliki pasar potensial untuk aplikasi keamanan, deteksi bahan peledak padat, dan penyaringan surat. Last but not least, pencitraan THz adalah metode yang nyaman untuk inspeksi kemasan semikonduktor.

Spektroskopi THz adalah teknik yang sangat kuat untuk mengkarakterisasi sifat material dan memahami ciri khasnya dalam pita ini. Spektroskopi THz telah meningkatkan pemahaman tentang fitur penyerapan di banyak kristal tunggal, mikrokristalin, dan sampel bubuk molekul organik.

Gambar 3 menunjukkan contoh hasil pengukuran untuk mengidentifikasi mode vibrasi molekul maltosa.

Gambar 3. Spektrum vibrasi terukur maltosa dalam sistem spektroskopi domain waktu THz, grafik atas menunjukkan sinyal THz terukur tanpa sampel maltosa. Panah pada grafik di bawah ini menunjukkan frekuensi vibrasi molekul maltosa. Inset menunjukkan struktur molekul maltosa. Gambar dari Y.C. Shen dkk melalui Surat Fisika Terapan .

Spektroskopi THz memiliki aplikasi dalam ilmu biokimia seperti analisis tanda tangan DNA dan struktur protein. Kontrol in-line proses produksi adalah aplikasi potensial lain dari spektroskopi THz yang dapat memberikan pengukuran tanpa kontak dan waktu nyata. Spektroskopi THz dapat dimanipulasi secara positif untuk membedakan zat terhidrasi dari zat kering karena penyerapan air yang tinggi dalam frekuensi THz. Misalnya, dalam industri kertas, spektroskopi THz telah digunakan untuk memantau ketebalan dan kadar air kertas oleh produsen.

Dalam beberapa aplikasi, seperti pengujian non-destruktif, baik pencitraan THz maupun spektroskopi digunakan. Misalnya, dalam penyelidikan sejarah seni, pencitraan dan spektroskopi THz membantu pencitraan barang antik, untuk mengungkap ketebalan lapisan yang berbeda dari karya seni dan untuk menunjukkan jenis material.

Gambar 4 menunjukkan foto tampak Madonna di Preghiera (kiri) dan gambar THz lukisan berdasarkan spektrum terintegrasi antara 0,5 – 1 THz (kanan).

Gambar 4. (a) foto Madonna di Preghiera yang terlihat (b) Gambar Madonna di Preghiera THz pada spektrum terintegrasi antara 0,5 dan 1 THz. Gambar dari J. Dong dkk melalui Laporan Ilmiah

Pencitraan THz memberikan informasi tentang lapisan bawah lukisan dengan tingkat detail yang luar biasa pada urutan puluhan mikron.

Selanjutnya, pencitraan dan spektroskopi THz adalah dua metode non-invasif kuantitatif dan kualitatif yang kuat untuk memeriksa bentuk sediaan padat farmasi, pelapis tablet, dan bahan aktif farmasi. Sebagai contoh, Gambar 5 menunjukkan variasi antar-tablet dari ketebalan lapisan penyalut delapan tablet dengan waktu penyalutan yang sama pada proses penyalutan di wilayah THz.

Gambar 5. Rata-rata ketebalan pelapisan masing-masing tablet terhadap waktu pelapisan. Sisipan menunjukkan peta ketebalan pelapis (μm) dari delapan tablet dengan waktu pelapisan yang sama 120 menit. Variasi ketebalan lapisan tablet-ke-tablet yang besar terlihat jelas. Gambar dari Y.C. Shen melalui Jurnal Farmasi Internasional

Potensi Band Terahertz

Selama akhir abad ke-20 dan dekade pertama abad ke-21, ketika sejumlah besar eksperimen laboratorium THz berlangsung, sebagian besar peneliti berfokus pada berbagai aplikasi THz potensial dan hasil yang sangat menjanjikan telah dicapai. Faktanya, hasil eksperimen yang menarik tersebut merupakan motivasi dan kekuatan pendorong yang besar bagi banyak peneliti untuk menggali bidang THz dan menjelajahinya dari berbagai aspek.

Karena kemajuan berkelanjutan di bidang penelitian THz dalam beberapa tahun terakhir, sistem dan aplikasi THz menemukan tempatnya di beberapa aplikasi komersial. Namun, agar gelombang THz dapat bersaing dan mengatasi teknologi lain dalam skenario dunia nyata, berbagai masalah harus ditangani dan/atau ditingkatkan. Misalnya, sumber THz berdaya tinggi dan ringkas diperlukan, sistem pengukuran THz harus diperkecil, metode untuk pemindaian berkas THz yang lebih cepat diperlukan, dan sistem THz harus memiliki biaya yang lebih rendah.

Bidang penelitian lain yang meningkat adalah komunikasi nirkabel THz. Ini sangat diminati karena memungkinkan komunikasi nirkabel berkecepatan tinggi di luar 5G. Oleh karena itu, berbagai penelitian diperlukan untuk mematangkan dan mencapai potensi penuh dari pita THz.