سطح ميتا قابل للبرمجة على شكل مصفوفة فرعية للموجات تيراهرتز للمنطق البصري وتعديل السعة من الرتبة العليا

موجات لاسلكية أذكى للأجهزة اليومية

مع تزايد اتصال هواتفنا وسياراتنا وأجهزتنا الذكية، تصبح الطرق اللاسلكية غير المرئية التي تنقل إشاراتها على وشك الوصول إلى حدودها. تستعرض هذه الورقة نوعًا جديدًا من الأسطح المصممة صغيرًا التي يمكنها تشكيل ومعالجة موجات التيراهرتز — إشعاع يتجاوز نطاق شبكة الواي‑فاي الحالية — في الزمن الحقيقي. من خلال السماح لنفس الرقاقة بأن تقرر مسائل منطقية بسيطة وتبث بيانات باستخدام مستويات إشارة متعددة، يشير العمل إلى أنظمة لاسلكية مستقبلية تستطيع الاستشعار والتفكير والتواصل فورًا دون الحاجة إلى أجهزة منفصلة ضخمة.

لبنة جديدة لشبكات الجيل السادس المستقبلية

يرغب مصممو شبكات الجيل السادس وما بعدها بأن تقوم الروابط اللاسلكية بأكثر من مجرد نقل البتات؛ يجب أن تستشعر أيضًا محيطها وتتخذ قرارات في أجزاء من الثانية، كما هو مطلوب في القيادة الذاتية أو المصانع الروبوتية. نطاق التيراهرتز جذاب لأنه قادر على حمل كميات هائلة من البيانات وفصل تفاصيل دقيقة، لكن المواد الحالية لا تستجيب بقوة أو مرونة كافية في هذا النطاق. تتحكم الأسطح القابلة للبرمجة التقليدية إما في كل بكسل صغير على حدة — مما يوفر مرونة كبيرة لكن بتعقيد توصيلات وطاقة هائل — أو تدفع السطح بأكمله بشكل موحد، وهو أبسط لكنه عادةً محدود في أنماط تشغيل/إيقاف أساسية وسرعات متواضعة. التحدي هو الحصول على تحكم غني وقابل لإعادة التهيئة لموجات التيراهرتز دون خلق متاهة إلكترونية لا يمكن إدارتها.

التحكم بالموجات مصفوفة فرعية تلو الأخرى

يحل الباحثون هذه المشكلة بتقديم «سطح ميتا قابل للبرمجة بمصفوفات فرعية». بدلًا من معالجة كل وحدة ميكروسكوبية على حدة، يقسم السطح إلى أربع مناطق أكبر، أو مصفوفات فرعية، كل منها مكوَّن من آلاف العناصر المتكررة. داخل كل عنصر، يوجد ترانزستور ذو حركة إلكترونية عالية مصنوع من AlGaN/GaN يستضيف طبقة فائقة الرقة من الإلكترونات المتنقلة التي توصل طبيعيًا عند ترددات التيراهرتز. من خلال تطبيق جهد على بوابة مصفوفة فرعية مختارة، يمكن للجهاز إما الحفاظ على بحر كثيف من الإلكترونات، ما يربط العناصر المجاورة ويمنع المرور بقوة، أو نَفْق ذلك البحر بحيث تنقطع التيارات ويمر المزيد من الموجة. تُظهر التجارب ضبطًا ناعمًا للانتقال عبر نطاق عريض تقريبًا من 170 إلى 260 غيغاهرتز، مع تغير في القدرة المارة يقارب عاملين عند ترددات معينة — كافٍ لتمييز حالات إلكترونية مختلفة بوضوح.

تحويل الضوء إلى منطق وإشارات متعددة المستويات

بما أن كل واحدة من المصفوفات الفرعية الأربع يمكن تبديلها بشكل مستقل، تخلق أنماط التشغيل/الإيقاف المجمعة مستويات تمرير مميزة عديدة. يستخدم الفريق هذا أولًا كمعالج منطق بصري. تلعب مصفوفتان فرعيتان دور المدخلات المنطقية، وتُعين لهما القيمة «0» أو «1» اعتمادًا على جهد البوابة، بينما يفسَّر قياس انتقال التيراهرتز كمخرج صحيح أو خاطئ. من خلال اختيار إعدادات ثابتة مناسبة على المصفوفتين الفرعيتين الأخريين وعتبة شدة بسيطة، يمكن لنفس الأجهزة تنفيذ دوال منطقية مختلفة مثل AND وOR وXNOR عبر نطاق ترددي واسع. تُظهر اختبارات عالية السرعة بإشارات قيادة ترددات الراديو أن هذه العمليات المنطقية تعمل ديناميكيًا حتى مئات الميغاهرتز. ثم يعيد المؤلفون تجميع المصفوفات الفرعية في زوجين ويقودون كل زوج بموجة مربعة مستقلة، بحيث تتضافر مساهماتهما لإنتاج أربع مستويات شدة مميزة. وهذا يحقق تعديل سعة النبضات بأربع مستويات (PAM‑4)، وهو تنسيق شائع في وصلات الألياف الضوئية واللاسلكية عالية السرعة، مباشرة في واجهة الموجة المارة.

أداء الرابط والحدود العملية

لإظهار صلاحية المفهوم في بيئة واقعية، وُضع سطح الميتا داخل منصة اختبار لاسلكية عند 220 غيغاهرتز تُحاكي وصلة تيراهرتز قصيرة المدى. يولد مذبذب محلي مضاعف الحامل، وتبعث وتستقبل قرون هوائيّة الحزمة، وتغذي إلكترونيات مخصصة موجات التعديل إلى الشريحة. تكشف القياسات أن إشارة بسيطة ذات نغمة واحدة يمكن تتبعها حتى 6 غيغاهرتز، مما يشير إلى أن الجهاز وتغليفه قادران بالفعل على التعامل مع تعديل من فئة الغيغاهرتز. ينتج مخطط PAM‑4 أربع مستويات سعة منفصَلة بوضوح عند 20 ميغاهرتز، رغم ظهور تليين طفيف للحواف وتباعد غير متساوٍ ناتج عن الاقتران الكهربائي والمقاومة والسعة الطفيلية. يحلل المؤلفون كيف أن تفعيل المزيد من المصفوفات الفرعية يؤدي إلى ضغط الاقتران الكهرومغناطيسي للتباعد بين مستويات الانتقال؛ بينما تكون مساحة الترميز الأساسية هائلة، في الممارسة العملية يحدّ عدد الدرجات السعوية القابلة للتمييز بوضوح من هذه اللاخطية، وتفاوتات التصنيع، والضوضاء.

ماذا يعني هذا للتكنولوجيا اليومية

بعبارات بسيطة، يبرهن هذا العمل عن سطح رقيق بحجم شريحة يمكنه «التفكير» و«التحدث» مع موجات التيراهرتز باستخدام نفس العتاد، دون تعقيد التحكم في ملايين العناصر الصغيرة على حدة. من خلال تجميع العناصر في مصفوفات فرعية قابلة للبرمجة، يحقق الجهاز عمليات منطقية عريضة النطاق وسريعة وتعديل سعة من رتبة عالية على منصة مدمجة، مما يشير إلى واجهات أمامية ذكية لأنظمة من فئة الجيل السادس المستقبلية قادرة على الاستشعار والقرار والتواصل في الزمن الحقيقي. مع تحسينات إضافية في التوصيلات والتغليف والخطية، قد تساعد أسطح ميتا مماثلة في تمكين وصلات تيراهرتز أصغر وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة لتطبيقات تتراوح من الشبكات الداخلية فائقة السرعة إلى الاستشعار والتصوير المتقدم.

الاستشهاد: Wang, L., Gong, S., Xia, C. et al. Subarray programmable terahertz metasurface for optical logic and high-order amplitude modulation. Light Sci Appl 15, 222 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02255-z

الكلمات المفتاحية: سطح ميتا تيراهرتز, الأسطح القابلة للبرمجة, المنطق البصري, تعديل PAM-4, اتصالات الجيل السادس