Coraz więcej urządzeń ma jednocześnie komunikować się, obserwować otoczenie i reagować niemal natychmiast. Samochód autonomiczny, dron, robot przemysłowy albo inteligentny system monitoringu potrzebują szybkiego przesyłania danych, ale także rozpoznawania sytuacji, filtrowania informacji i podejmowania prostych decyzji blisko miejsca, w którym powstaje sygnał. To jeden z powodów, dla których w badaniach nad przyszłymi sieciami 6G tak dużo uwagi poświęca się falom terahercowym. Są to fale elektromagnetyczne leżące między mikrofalami a podczerwienią.

Mają bardzo wysokie częstotliwości w stosunku do mikrofal używanych w telekomunikacji, dlatego mogą przenosić dużo informacji. Dzięki zaś właściwościom podobnym do podczerwieni mogą dawać stosunkowo dużą rozdzielczość przestrzenną, co oznacza, że pozwalają identyfikować obiekty dokładniej niż techniki radarowe. Dzięki temu nadają się zarówno do komunikacji, jak i do czujników oraz obrazowania.

Sama szybkość przesyłania danych przestaje dziś wystarczać. Jeśli urządzenie zbiera ogromną ilość informacji, a potem musi wysłać wszystko do osobnego komputera, pojawia się opóźnienie. W wielu zastosowaniach liczą się ułamki sekundy. Dlatego coraz częściej rozważa się układy, które część prostego przetwarzania wykonują już na samym początku drogi sygnału - zanim dane trafią do klasycznej elektroniki. Właśnie w tym kontekście pojawia się pojęcie programowalnych metapowierzchni.

Metapowierzchnia to bardzo cienka struktura złożona z wielu drobnych elementów, mniejszych od długości fali promieniowania. Każdy z nich może wpływać na przechodzącą lub odbijaną falę. W efekcie cała powierzchnia działa trochę jak dynamiczny materiał, którego własności można zaprojektować. Może zmieniać kierunek fali, osłabiać ją, wzmacniać wybrane składniki albo nadawać jej określony kształt. Jeśli taka metapowierzchnia jest programowalna, jej działanie można zmieniać w czasie. To otwiera drogę do urządzeń, które nie tylko przepuszczają fale, ale wykonują na nich proste operacje.

W artykule opublikowanym w „Light: Science & Applications” (https://www.nature.com/articles/s41377-026-02255-z) badacze pokazali programowalną metapowierzchnię terahercową, która potrafi pełnić dwie funkcje na tej samej platformie: wykonywać proste operacje logiczne oraz modulować sygnał, czyli kodować w nim informacje.

Podstawowa idea jest następująca. Powierzchnia została podzielona na cztery niezależnie sterowane części. Fotonicy nazywają je podtablicami. Każdą z nich można włączać i wyłączać elektrycznie, zmieniając sposób, w jaki przepuszcza falę terahercową. Zamiast sterować każdym maleńkim elementem osobno, steruje się całymi grupami. To zmniejsza złożoność układu, a jednocześnie zostawia wystarczająco dużo swobody, aby uzyskać różne odpowiedzi fali. W urządzeniu wykorzystano tranzystory HEMT, oparte na heterostrukturze AlGaN/GaN. W uproszczeniu są to bardzo szybkie tranzystory, w których prąd płynie przez niezwykle cienki kanał elektronowy, tworzący się na granicy dwóch warstw półprzewodnika. Przyłożone napięcie zmienia własności tej przestrzeni, a przez to zmienia oddziaływanie całej metapowierzchni z falą terahercową. Dzięki temu układ może dynamicznie regulować, ile promieniowania przechodzi przez powierzchnię.

Badacze pokazali, że taka regulacja działa w szerokim zakresie częstotliwości, od 170 do 260 GHz. Przy częstotliwości 240 GHz transmisja, czyli część fali przechodzącej przez układ, wzrastała w pomiarach od około 30 do 78 proc. po zmianie napięcia sterującego. To oznacza, że powierzchnia może wyraźnie zmieniać natężenie przechodzącego sygnału.

Najciekawszy element badań polegał jednak na tym, że takie sterowanie wykorzystano nie tylko do prostego włączania i wyłączania fali. Dwie części metapowierzchni potraktowano jako wejścia logiczne. Mogą one odpowiadać wartościom 0 i 1, podobnie jak w klasycznej elektronice cyfrowej. Na podstawie tego, jak silna fala przejdzie przez układ, można odczytać wynik prostej operacji logicznej. Fotonicy zrealizowali w ten sposób operacje AND, OR i XNOR. AND daje wynik 1 tylko wtedy, gdy oba wejścia mają wartość 1. OR daje wynik 1, gdy przynajmniej jedno wejście ma wartość 1. XNOR sprawdza, czy oba wejścia są takie same. To podstawowe operacje, z których zbudowana jest logika urządzeń cyfrowych. W tym przypadku operacja logiczna jest wykonywana bezpośrednio na fali, przez odpowiednio zaprogramowaną powierzchnię. Można powiedzieć, że sygnał zostaje częściowo przetworzony, jeszcze zanim trafi dalej do klasycznej elektroniki. Element komunikacyjny zaczyna pełnić także rolę prostego elementu obliczeniowego.

Drugim osiągnięciem jest modulacja PAM-4. Modulacja to sposób zapisywania informacji w sygnale. W najprostszym przypadku sygnał ma dwa poziomy: niski i wysoki, czyli 0 i 1. PAM-4 wykorzystuje cztery poziomy amplitudy, więc w jednym kroku można zapisać więcej informacji. Badacze pokazali, że ich metapowierzchnia może tworzyć cztery wyraźnie rozróżnialne poziomy sygnału terahercowego. Jeśli zaś część modulacji można realizować bezpośrednio na powierzchni oddziałującej z falą, układy nadawcze mogą stać się bardziej zwarte i lepiej zintegrowane.

W eksperymencie zbudowano quasioptyczne łącze pracujące przy 220 GHz. Oznacza to układ, w którym fala terahercowa była wysyłana, przechodziła przez badaną metapowierzchnię i była odbierana po drugiej stronie. W takich warunkach autorzy pokazali dynamiczne operacje logiczne do 200 MHz, stabilną modulację PAM-4 oraz odpowiedź na modulację jednotonową do 6 GHz. Są to wyniki pokazujące, że układ działa nie tylko jako próbka w laboratorium, ale jako element rzeczywistego toru transmisyjnego.

Badanie powstawało w ramach międzynarodowego zespołu. Jeden z jego uczestników, Taiichi Otsuji z Uniwersytetu Tohoku w Sendai w Japonii, reprezentował Centrum Doskonałości ENSEMBLE3 w Warszawie ( https://naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C80257%2Crusza-projekt-ensemble3-dotyczacy-nowych-materialow-fotonicznych.html ). To polski ośrodek badawczy zajmujący się nanofotoniką, zaawansowanymi materiałami i technologiami opartymi na wzroście kryształów. Jego misją jest rozwijanie nowych materiałów o szczególnych własnościach elektromagnetycznych oraz przenoszenie ich w stronę zastosowań w fotonice, optoelektronice, telekomunikacji, medycynie, energetyce słonecznej i technologiach bezpieczeństwa.

Autorzy badań wskazują także ograniczenia: przy większej liczbie części metapowierzchni poziomy sygnału zaczynają się do siebie zbliżać, a większa głębokość modulacji może ograniczać szybkość działania. To typowy problem inżynierii, gdy poprawa jednej cechy często wymaga kompromisu w innej. Mimo tych ograniczeń praca pokazuje jednakże interesujący kierunek rozwoju przyszłych systemów komunikacji i czujników. Zamiast budować osobno antenę, modulator i prosty układ logiczny, część tych funkcji można próbować połączyć w jednej programowalnej powierzchni. W takim podejściu fala elektromagnetyczna nie tylko przenosi informację, lecz także może zostać wstępnie przetworzona już w miejscu, w którym przechodzi przez odpowiednio zaprojektowany materiał.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ zan/