Kamera Elektron SLAC Menemukan Keajaiban “Pelintiran Cahaya” pada Materials yang Sangat Tipis

Para peneliti di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC telah menemukan perilaku baru dalam materials sangat tipis yang dapat merevolusi perangkat optoelektronik.

Dengan menggunakan kamera elektron berkecepatan tinggi, mereka mengamati bagaimana tungsten ditelluride mempolarisasi cahaya di bawah Terahertz radiasi, yang berpotensi meningkatkan perangkat yang digunakan dalam LED, pencitraan medis, dan banyak lagi. Karya inovatif ini dapat mengarah pada pengembangan perangkat optoelektronik multifungsi yang lebih kecil melalui penumpukan materials dua dimensi.

Saat mengambil gambar dengan “kamera elektron” berkecepatan tinggi di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC milik Departemen Energi, para peneliti menemukan perilaku baru dalam materials yang sangat tipis yang menawarkan pendekatan yang menjanjikan untuk memanipulasi cahaya yang akan berguna bagi perangkat yang mendeteksi, mengendalikan, atau memancarkan cahaya, yang secara kolektif dikenal sebagai perangkat optoelektronik, dan menyelidiki bagaimana cahaya terpolarisasi dalam suatu materials. Perangkat optoelektronik digunakan dalam banyak teknologi yang menyentuh kehidupan kita sehari-hari, termasuk dioda pemancar cahaya (LED), serat optik, dan pencitraan medis.

Seperti yang dilaporkan dalam jurnal Bahasa Indonesia SuratTim yang dipimpin oleh profesor SLAC dan Stanford Aaron Lindenberg menemukan bahwa ketika diarahkan dalam arah tertentu dan dikenai radiasi terahertz linear, lapisan sangat tipis tungsten ditelluride, yang memiliki sifat yang diinginkan untuk mempolarisasi cahaya yang digunakan dalam perangkat optik, mempolarisasi cahaya yang masuk secara melingkar.

Snapshot yang diambil oleh kamera elektron berkecepatan tinggi SLAC, sebuah instrumen untuk difraksi elektron ultracepat (MeV-UED), menunjukkan bukti polarisasi melingkar cahaya terahertz oleh sampel tungsten ditelluride yang sangat tipis. Kredit: Sie et al., Nano Letters, 8 Mei 2024

Radiasi Terahertz: Kunci Optoelektronik Generasi Berikutnya

Radiasi terahertz terletak di antara gelombang mikro dan inframerah dalam spektrum elektromagnetik dan memungkinkan cara baru untuk mengkarakterisasi dan mengendalikan sifat materials. Para ilmuwan ingin menemukan cara untuk memanfaatkan cahaya tersebut untuk pengembangan perangkat optoelektronik di masa mendatang.

Menangkap perilaku materials di bawah cahaya terahertz memerlukan instrumen canggih yang mampu merekam interaksi pada kecepatan sangat cepat, dan instrumen terkemuka dunia SLAC untuk difraksi elektron sangat cepat (MeV-UED) di Linac Coherent Mild Supply (LCLS) dapat melakukannya. Sementara MeV-UED biasanya digunakan untuk memvisualisasikan gerakan atom dengan mengukur bagaimana mereka menyebarkan elektron setelah mengenai sampel dengan berkas elektron, penelitian baru ini menggunakan pulsa elektron femtodetik untuk memvisualisasikan medan listrik dan magnet dari pulsa terahertz yang masuk, yang menyebabkan elektron bergoyang maju mundur. Dalam penelitian tersebut, polarisasi melingkar ditunjukkan oleh gambar elektron yang menunjukkan pola melingkar daripada garis lurus.

Ilustrasi ini menunjukkan bagaimana elektron bergerak dalam pola melingkar (kanan) setelah materials tipis (tengah) terkena radiasi terahertz terpolarisasi linier (kiri). Kredit: Sie et al., Nano Letters, 8 Mei 2024

Bahan yang sangat tipis itu hanya setebal 50 nanometer. “Ini 1.000 hingga 10.000 kali lebih tipis daripada yang biasanya kita butuhkan untuk memicu respons jenis ini,” kata Lindenberg.

Aplikasi dan Inovasi Masa Depan

Para peneliti bersemangat untuk menggunakan materials yang sangat tipis ini, yang dikenal sebagai materials dua dimensi (2D), untuk membuat perangkat optoelektronik lebih kecil dan mampu menjalankan lebih banyak fungsi. Mereka membayangkan pembuatan perangkat dari lapisan struktur 2D, seperti menumpuk Lego, kata Lindenberg. Setiap struktur 2D akan tersusun dari materials yang berbeda, yang disejajarkan secara tepat untuk menghasilkan jenis respons optik tertentu. Struktur dan fungsi yang berbeda ini dapat digabungkan menjadi perangkat kompak yang dapat menemukan aplikasi potensial – misalnya, dalam pencitraan medis atau jenis perangkat optoelektronik lainnya.

“Karya ini merupakan elemen lain dalam perangkat kami untuk memanipulasi medan cahaya terahertz, yang pada gilirannya dapat memungkinkan cara baru untuk mengendalikan materials dan perangkat dengan cara yang menarik,” kata Lindenberg.

Referensi: “Birefringensi Terahertz Raksasa dalam Semimetal Anisotropik Ultratipis” oleh Edbert J. Sie, Mohamed AK Othman, Clara M. Nyby, Das Pemmaraju, Christina AC Garcia, Yaxian Wang, Burak Guzelturk, Chenyi Xia, Jun Xiao, Andrey Poletayev, Benjamin Okay. Ofori-Okai, Matthias C. Hoffmann, Suji Park, Xiaozhe Shen, Jie Yang, Renkai Li, Alexander H. Reid, Stephen Weathersby, Philipp Muscher, Nathan Finney, Daniel Rhodes, Luis Balicas, Emilio Nanni, James Hone, William Chueh, Thomas P. Devereaux, Prineha Narang, Tony F. Heinz, Xijie Wang dan Aaron M. Lindenberg, 8 Mei 2024, Surat Nano.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00758

Studi ini didukung oleh Kantor Sains DOE dan menggunakan sumber daya dari Pusat Komputasi Ilmiah Riset Energi Nasional (NERSC). LCLS dan NERSC adalah fasilitas pengguna Kantor Sains DOE.