近日，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍教授課題組在信息超材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究成果以“Space-time-coding digital metasurfaces（時(shí)空編碼數(shù)字超表面）”為題，10月18日在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）。東南大學(xué)為第一署名單位，崔鐵軍教授為論文通訊作者，博士生張磊為第一作者，意大利Sannio大學(xué)的Vincenzo Galdi教授為共同通訊作者。合作者還包括崔鐵軍教授課題組的碩士生陳曉晴、博士生劉碩、張茜、趙捷、戴俊彥、白國(guó)棟；萬(wàn)向副教授、程強(qiáng)教授，以及意大利Sannio大學(xué)的Giuseppe Castaldi教授。

超材料（Metamaterials）是指亞波長(zhǎng)尺度單元按一定的宏觀排列方式形成的人工復(fù)合電磁結(jié)構(gòu)。由于其基本單元和排列方式都可任意設(shè)計(jì)，因此能構(gòu)造出傳統(tǒng)材料與傳統(tǒng)技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的超常規(guī)媒質(zhì)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)電磁波進(jìn)行高效靈活調(diào)控，實(shí)現(xiàn)一系列自然界不存在的新奇物理特性和應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的電磁超材料和超表面都是基于連續(xù)變化的媒質(zhì)參數(shù)，很難實(shí)時(shí)地操控電磁波。

2014年，崔鐵軍教授課題組在國(guó)際上首次提出“數(shù)字編碼與可編程超材料”，提出用二進(jìn)制數(shù)字編碼來(lái)表征超材料的思想，通過(guò)改變數(shù)字編碼單元“0”和“1”的空間排布來(lái)控制電磁波（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014）。這一概念的提出不僅簡(jiǎn)化了超材料的設(shè)計(jì)難度和優(yōu)化流程，構(gòu)建了超材料由物理空間通往數(shù)字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學(xué)的角度來(lái)理解和探索超材料。更重要地是，超材料的數(shù)字化編碼表征方式非常有利于結(jié)合一些有源器件（例如二極管和MEMS開(kāi)關(guān)等），在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）等電路系統(tǒng)的控制下實(shí)時(shí)地?cái)?shù)字化調(diào)控電磁波，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)多種完全不同的功能。

然而，之前關(guān)于數(shù)字編碼與可編程超材料的研究工作僅在空間域進(jìn)行編碼。近來(lái)，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程強(qiáng)教授、崔鐵軍教授和東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金石教授及其博士生趙捷、陽(yáng)析等提出時(shí)間編碼超材料的概念（arXiv 1806.04414），可對(duì)電磁頻譜進(jìn)行任意調(diào)控。在該Nature Communications論文中，崔鐵軍教授等人首次提出了“時(shí)空編碼數(shù)字超表面”，特殊設(shè)計(jì)的可編程超表面在時(shí)間域上按照相應(yīng)的時(shí)間編碼序列快速切換，可以在頻率域產(chǎn)生諧波能量分布。同時(shí)結(jié)合空間域的編碼排布，一款時(shí)空聯(lián)合編碼的數(shù)字超表面可以在空間域和頻率域同時(shí)調(diào)控電磁波。

在該工作中，作者利用優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)空三維編碼矩陣，超表面將入射波能量分散到空間任意方向和任意諧波頻譜上，這一特性很好地縮減了雷達(dá)散射截面（RCS），未來(lái)有望應(yīng)用于新型的計(jì)算成像系統(tǒng)。更重要的是，引入時(shí)間維度的編碼之后，可以擴(kuò)展傳統(tǒng)的空間編碼比特?cái)?shù)，降低了實(shí)現(xiàn)高比特可編程超表面的系統(tǒng)復(fù)雜度。例如，一款2比特的可編程超表面，只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實(shí)現(xiàn)等效的360度相位覆蓋，這是傳統(tǒng)可編程超表面無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，可用于實(shí)現(xiàn)波束塑形等一系列實(shí)用功能。

本工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“微波毫米波數(shù)字編碼和現(xiàn)場(chǎng)可編程超構(gòu)材料的理論體系與關(guān)鍵技術(shù)”，以及國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作在東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。