أدى التطور السريع نحو أنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل السادس (6G) إلى تسريع استكشاف نطاقات الترددات تيري هيرتز (THz) والترددات الضوئية لتحقيق معدلات نقل بيانات فائقة السرعة تتجاوز 1 Tbps، والاستشعار الذكي، وتشكيل الحزمة الهولوغرافي، وهندسة صدر الموجة التكيفية1,2,3. ويوفر نطاق التيريهيرتز (0.1-30 THz) عرض نطاق ترددي واسع، إلا أنه يعاني من توهين شديد في الفضاء الحر (حوالي 20 dB·km-1 عند 1 THz)، وامتصاص جزيئي جوي ناتج عن بخار الماء عند 557 GHz و752 GHz و988 GHz و1.13 THz، وحساسية مفرطة تجاه الحجب الناتج عن الجسيمات الجوية والأمطار4.
ظهرت الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل كتقنية تمكينية قادرة على التحكم ديناميكيًا في جبهات الموجات الكهرومغناطيسية من خلال الانعكاس والامتصاص والتحكم في الطور وتركيز الموجات القابل للبرمجة5,6,7. وعندما يتم توسيع نطاق هذه الأسطح ليشمل الترددات الضوئية، فإنها توفر تحكمًا غير مسبوق في انتشار الضوء، مما يتيح تطبيقات مثل ليدار (LiDAR)، والاتصالات الضوئية في الفضاء الحر، والشاشات الهولوغرافية، وتوجيه الحزم التكيفي8.
تواجه هياكل الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل التقليدية القائمة على الرنانات المعدنية قيوداً كبيرة عند الترددات التيرهرتزية والبصرية، وذلك بسبب زيادة الخسائر الأومية الناتجة عن موصلية درود (Drude conductivity)، والتخميد البلازموني، وقيود التصنيع عندما تكون أحجام الميزات أقل من 100 nm، فضلاً عن القابلية المحدودة لضبط الخصائص العازلة الثابتة9,10,11. وتوفر الأسطح الفوقية القائمة على المواد النانوية، ولا سيما تلك التي تستخدم أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs)، بدائل واعدة نظراً لخصائصها الكهرومغناطيسية الكمومية الاستثنائية: أبعاد نانوية بأقطار تتراوح بين 0.7-3 nm، وموصلية كمومية قابلة للضبط يتم التحكم فيها بواسطة الجهد الكيميائي، وحركية حاملات شحنة استثنائية تتجاوز 100,000 cm2·(V·s-1)، وموصلية حرارية عالية تبلغ حوالي 3000 W·(m·K-1)، ورنينات إكسيتونية قوية في النطاقات المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة12,13,14,15. وتُظهر أنابيب SWCNTs تفاعلات كهرومغناطيسية قوية في الأنظمة التيرهرتزية والفوتونية من خلال اقتران الإكسيتون-فوتون، مما يسمح بإنشاء رنانات بصرية مدمجة ذات استجابات كهرومغناطيسية قابلة للبرمجة16. تجعل هذه الخصائص من أنابيب SWCNTs مرشحين جذابين للأسطح الذكية البصرية القابلة لإعادة التشكيل، حيث يمثل الحجم المدمج، والاستجابة القابلة للضبط، والتلاعب الفعال بالموجات متطلبات تصميمية هامة.
على الرغم من هذه المزايا، لا يزال النمذجة الدقيقة للأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل بصرياً القائمة على أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNT) تمثل تحدياً؛ نظراً لتأثيرات النقل الكمومي التي تتطلب نهج دالة جرين غير المتوازنة، وهيمنة الحث الحركي عند ترددات تتجاوز 100 GHz، والسلوك الإكسيتوني متعدد الرنين بطاقات ربط تصل إلى 0.4 eV، وظواهر التشتت غير الخطي الناشئة عن اقتران الإلكترون-فونون، والخصائص البصرية المعتمدة على التدوير (chirality) والتي تتطلب تحديد المؤشرات التدويرية (n, m)، والتوصيلية المعتمدة على درجة الحرارة التي تتطلب نمذجة حرارية ذاتية الاتساق17,18,19,20. وغالباً ما تخفق نهج الدوائر المكافئة التقليدية وطرق الملاءمة الكهرومغناطيسية التقليدية، مثل التقريب العقلاني والملاءمة المتجهية، في تمثيل هذه التفاعلات المعقدة بدقة عبر نطاقات ترددية واسعة تغطي 0.5-30 THz، وهو عرض نطاق ترددي يبلغ 60×21,22,23. ومن شأن هذه القيود أن تقلل من دقة النمذجة وتزيد من التعقيد الحسابي أثناء تصميم الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل في نطاق التيراهيرتز، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى نهج نمذجة فعالة تحافظ على القابلية للتفسير الفيزيائي مع التقاط السلوك الكهرومغناطيسي واسع النطاق بدقة.
يقدم هذا البروتوكول إطار عمل للنمذجة الهجينة يجمع بشكل فريد بين تحليل الموصلية الكمومية باستخدام صيغة Kubo، وحساب فجوة النطاق المعتمدة على الكيرالية (chirality)، والانحدار متعدد الحدود لتقليل الضوضاء وتنعيم الاستجابة، وتحليل دالة التحويل باستخدام تحويل Z لاستقرار الأقطاب والأصفار والقابلية للتفسير الفيزيائي، والمحاكاة الكهرومغناطيسية للموجة الكاملة لخلايا وحدة قائمة على SWCNT. يوفر سير العمل إجراءً خطوة بخطوة لبناء وتحليل وتحسين الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل بصرياً والقائمة على SWCNT عبر نطاق ترددات التيراهيرتز. تم تصميم هذه الطريقة للباحثين والمهندسين العاملين في الأسطح الكهرومغناطيسية المتقدمة، والنانوفوتونيات، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل القادم. يتيح البروتوكول للمستخدمين إنشاء نماذج مستقرة وقابلة للتفسير فيزيائياً للأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل بصرياً والقائمة على SWCNT لتطبيقات توجيه الشعاع والتحكم في الموجات الكهرومغناطيسية. يفترض البروتوكول الإلمام بمفاهيم المحاكاة الكهرومغناطيسية، ولكنه يوفر خطوات مفصلة لإعادة التطبيق من قبل الباحثين الجدد في هذا المجال.