ההתפתחות המהירה לעבר מערכות אלחוטיות מהדור השישי (6G) האיצה את חקירת פסיי תדרים של טרה-הרץ (THz) ותדרים אופטיים כדי להשיג קצבי נתונים גבוהים במיוחד העולים על 1 Tbps, חישוש חכם, עיצוב אלומה הולוגרפי והנדסת חזית גל אדפטיבית1,2,3. פס התדרים של הטרה-הרץ (0.1-30 THz) מציע רוחב פס רב, אך סובל מניחות חמורה במרחב החופשי (בסביבות 20 dB·km-1 בתדר של 1 THz), בליעה מולקולרית אטמוספרית על ידי אדי מים ב-557 GHz, 752 GHz, 988 GHz ו-1.13 THz, ורגישות קיצונית לחסימות על ידי חלקיקים אטמוספריים וגשם4.
משטחים אינטליגנטיים ניתנים להגדרה מחדש הופיעו כטכנולוגיה מאפשרת המסוגלת להשפיע באופן דינמי על חזיתות גלים אלקטרומגנטיים באמצעות החזרה, בליעה, בקרת פאזה ומיקוד גלים הניתנים לתכנות5,6,7. כאשר הם מורחבים לתדרים אופטיים, משטחים אלו מציעים שליטה חסרת תקדים על התקדמות האור, ומאפשרים יישומים כגון LiDAR, תקשורת אופטית במרחב חופשי, תצוגות הולוגרפיות והכוון אלומה אדפטיבי8.
מבני משטחים אינטליגנטיים ר可-קונפיגורביליים (reconfigurable intelligent surface) קונבנציונליים המבוססים על רזונטורים מתכתיים נתקלים במגבלות משמעותיות בתדרים של טרה-הרץ ואופטיקה, בשל הגברת הפסדים אומיים הנובעים ממוליכות דרוד (Drude conductivity), שיכוך פלסמוני, מגבלות ייצור עבור גדלי מאפיינים קטנים מ-100 nm, ויכולת כיוונון מוגבלת של תכונות דיאלקטריות קבועות9,10,11. מטא-משטחים המבוססים על ננו-חומרים, ובמיוחד אלה המשתמשים בננו-צינורות פחמן בעלי דופן אחת (SWCNTs), מציעים חלופות מבטיחות בשל תכונותיהם הקוונטיות-אלקטרומגנטיות יוצאי הדופן: ממדי ננוסקאלה עם קטרים של 0.7-3 nm, מוליכות קוונטית ניתנת לכיוונון הנשלטת על ידי פוטנציאל כימי, ניידות נשאיים יוצאת דופן העולה על 100,000 cm2·(V·s-1), מוליכות תרמית גבוהה של כ-3000 W·(m·K-1), ורזוננסים אקסיטוניים חזקים בתחומי האור הנראה והאינפרא-אדום הקרוב12,13,14,15. SWCNTs מראים אינטראקציות אלקטרומגנטיות חזקות במשטרי טרה-הרץ ופוטוניקה באמצעות צימוד אקסיטון-פוטון, המאפשר יצירת רזונטורים אופטיים קומפקטיים עם תגובות אלקטרומגנטיות ניתנות לתכנות16. תכונות אלו הופכות את ה-SWCNTs למועמדים אטרקטיביים עבור משטחים אינטליגנטיים ר可-קונפיגורביליים אופטיים, שבהם גודל קומפקטי, תגובה ניתנת לכיוונון ומניפולציה יעילה של גלים הם דרישות תכנון חשובות.
למרות יתרונות אלו, מידול מדויק של משטחים אינטליגנטיים ניתנים להגדרה מחדש (RIS) המבוססים על SWCNT נותר מאתגר עקב השפעות של תובעת קוונטית הדורשות גישות של פונקציית גרין לא-שיווי משקל, השראות קינטית השולטת בתדרים מעל 100 GHz, התנהגות אקסיטונית מרובת-תהודה עם אנרגיות קשירה של עד 0.4 eV, תופעות דיספרסיה לא-ליניאריות הנובעות מצימוד אלקטרון-פונון, תכונות אופטיות התלויות בכיראליות הדורשות הגדרה של אינדקסים כיראליים (n, m), ומוליכות התלויה בטמפרטורה הדורשת מידול תרמי עקבי17,18,19,20. גישות מסורתיות של מעגלים שווי ערך ושיטות התאמה אלקטרומגנטית קונבנציונליות, כגון קירוב רציונלי (rational approximation) והתאמה וקטורית (vector fitting), נכשלות לעיתים קרובות בייצוג מדויק של אינטראקציות מורכבות אלו על פני טווחים רחבים של תדרים המכסים 0.5-30 THz, רוחב פס של 60×21,22,23. מגבלות אלו עלולות להפחית את דיוק המידול ולהגביר את המורכבות החישובית במהלך תכנון משטחים אינטליגנטיים ניתנים להגדרה מחדש בתדר טרה-הרץ, דבר המדגיש את הצורך בגישות מידול יעילות השומרות על פרשנות פיזיקלית תוך לכידה מדויקת של התנהגות אלקטרומגנטית רחבת פס.
פרוטוקול זה מציג מסגרת מידול היברידית המשלבת באופן ייחודי ניתוח מוליכות קוונטית באמצעות פורמליזם Kubo עם חישוב פער אנרגיה (bandgap) תלוי-כירליות, רגרסיה פולינומיאלית להפחתת רעשים והחלקת תגובה, ניתוח פונקציית מעבר בטרנספורמציית-Z ליציבות קטבים-אפס ופרשנות פיזיקלית, וסימולציה אלקטרומגנטית של גל מלא עבור תאי יחידה מבוססי SWCNT. זרימת העבודה מספקת הליך שלב-אחר-שלב לבנייה, ניתוח ואופטימיזציה של משטחים אינטליגנטיים הניתנים להגדרה מחדש (RIS) מבוססי SWCNT בטווח תדרי ה-terahertz. השיטה מיועדת לחוקרים ומהנדסים העוסקים במשטחים אלקטרומגנטיים מתקדמים, ננו-פוטוניקה ומערכות תקשורת אלחוטית מהדור הבא. הפרוטוקול מאפשר למשתמשים לייצר מודלים יציבים ובעלי פרשנות פיזיקלית של משטחים אינטליגנטיים הניתנים להגדרה מחדש מבוססי SWCNT ליישומים של ניתוב אלומה ובקרת גלים אלקטרומגנטיים. הפרוטוקול מניח היכרות עם מושגי סימולציה אלקטרומגנטית, אך מספק שלבים מפורטים לשחזור עבור חוקרים חדשים בתחום.