Altıncı nesil (6G) kablosuz sistemlere doğru gerçekleşen hızlı evrim; 1 Tbps'yi aşan ultra yüksek veri hızları, akıllı algılama, holografik hüzmeleme ve adaptif dalga cephesi mühendisliği elde etmek için terahertz (THz) ve optik frekans bantlarının araştırılmasını hızlandırmıştır1,2,3. Terahertz bandı (0.1-30 THz) geniş bir bant genişliği sunsa da, ciddi serbest uzay zayıflamasından (1 THz'de yaklaşık 20 dB·km-1), 557 GHz, 752 GHz, 988 GHz ve 1.13 THz'de su buharından kaynaklanan atmosferik moleküler absorpsiyondan ve atmosferik parçacıklar ile yağmur nedeniyle oluşan engellemelere karşı aşırı hassasiyetten etkilenmektedir4.
Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler; programlanabilir yansıma, soğurma, faz kontrolü ve dalga odaklama yoluyla elektromanyetik dalga cephelerini dinamik olarak manipüle edebilen yardımcı bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır5,6,7. Optik frekanslara genişletildiklerinde bu yüzeyler, ışık yayılımı üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sunarak LiDAR, boşlukta optik haberleşme, holografik ekranlar ve adaptif demet yönlendirme gibi uygulamalara olanak tanımaktadır8.
Metalik rezonatörlere dayalı geleneksel yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey yapıları; Drude iletkenliğinden kaynaklanan artan ohmik kayıplar, plazmonik sönümlenme, 100 nm altındaki özellik boyutlarıyla ilgili üretim kısıtlamaları ve sabit dielektrik özelliklerin sınırlı ayarlanabilirliği nedeniyle terahertz ve optik frekanslarda önemli kısıtlamalarla karşılaşmaktadır9,10,11. Nanomalzeme tabanlı metasurface'ler, özellikle de tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler) kullananlar, olağanüstü kuantum-elektromanyetik özellikleri nedeniyle gelecek vaat eden alternatifler sunmaktadır: 0,7-3 nm çapındaki nanoboyutlar, kimyasal potansiyel ile kontrol edilen ayarlanabilir kuantum iletkenliği, 100.000 cm2·(V·s-1) değerini aşan olağanüstü taşıyıcı hareketliliği, yaklaşık 3000 W·(m·K-1) yüksek termal iletkenlik ve görünür ve yakın kızılötesi rejimlerde güçlü eksitonik rezonanslar12,13,14,15. SWCNT'ler, eksiton-foton etkileşimi yoluyla terahertz ve fotonik rejimlerde güçlü elektromanyetik etkileşimler sergileyerek, programlanabilir elektromanyetik tepkilere sahip kompakt optik rezonatörlerin oluşturulmasına olanak tanır16. Bu özellikler, SWCNT'leri kompakt boyut, ayarlanabilir tepki ve verimli dalga manipülasyonunun önemli tasarım gereksinimleri olduğu optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler için çekici adaylar haline getirmektedir.
Bu avantajlara rağmen, SWCNT tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin doğru şekilde modellenmesi; dengedışı Green fonksiyonu yaklaşımları gerektiren kuantum taşıma etkileri, 100 GHz üzerindeki frekanslarda baskın olan kinetik endüktans, 0,4 eV'ye kadar bağlama enerjilerine sahip çok rezonanslı eksitonik davranış, elektron-fonon etkileşiminden kaynaklanan doğrusal olmayan dispersiyon fenomenleri, kiral indekslerin (n, m) belirtilmesini gerektiren kiraliteye bağlı optik özellikler ve öz-tutarlı termal modelleme gerektiren sıcaklığa bağlı iletkenlik nedeniyle zorlayıcı olmaya devam etmektedir17,18,19,20. Geleneksel eşdeğer devre yaklaşımları ile rasyonel yaklaşım ve vektör uydurma gibi geleneksel elektromanyetik uydurma yöntemleri, genellikle 0,5-30 THz'yi kapsayan ve 60× bant genişliğine sahip geniş frekans aralıklarında bu karmaşık etkileşimleri doğru şekilde temsil etmekte yetersiz kalmaktadır21,22,23. Bu sınırlamalar, terahertz yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin tasarımı sırasında modelleme doğruluğunu azaltabilir ve hesaplama karmaşıklığını artırabilir; bu durum, geniş bantlı elektromanyetik davranışı doğru şekilde yakalarken fiziksel yorumlanabilirliği koruyan verimli modelleme yaklaşımlarına olan ihtiyacı vurgulamaktadır.
Bu protokol; Kubo formalizmi kullanılarak yapılan kuantum iletkenlik analizini, kiraliteye bağlı bant aralığı hesaplamasını, gürültü azaltma ve yanıt yumuşatması için polinomsal regresyonu, kutup-sıfır kararlılığı ve fiziksel yorumlanabilirlik için Z-dönüşümü transfer fonksiyonu analizini ve SWCNT tabanlı birim hücrelerin tam dalga elektromanyetik simülasyonunu benzersiz bir şekilde birleştiren hibrit bir modelleme çerçevesi sunmaktadır. İş akışı, terahertz frekans aralığı boyunca SWCNT tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin oluşturulması, analiz edilmesi ve optimize edilmesi için adım adım bir prosedür sağlar. Yöntem, gelişmiş elektromanyetik yüzeyler, nanofotonik ve yeni nesil kablosuz iletişim sistemleri üzerinde çalışan araştırmacılar ve mühendisler için tasarlanmıştır. Protokol, kullanıcıların hüzme yönlendirme ve elektromanyetik dalga kontrolü uygulamaları için SWCNT tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin kararlı ve fiziksel olarak yorumlanabilir modellerini oluşturmalarına olanak tanır. Protokol, elektromanyetik simülasyon kavramlarına aşinalık gerektirmektedir ancak alana yeni giren araştırmacıların çalışmayı tekrarlayabilmesi için ayrıntılı adımlar sunmaktadır.