近日，東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室崔鐵軍教授課題組在信息超材料領(lǐng)域取得新進展，研究成果以“Space-time-coding digital metasurfaces（時空編碼數(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、白國棟；萬向副教授、程強教授，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，因此能構(gòu)造出傳統(tǒng)材料與傳統(tǒng)技術(shù)不能實現(xiàn)的超常規(guī)媒質(zhì)參數(shù)，進而對電磁波進行高效靈活調(diào)控，實現(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)，很難實時地操控電磁波。2014年，崔鐵軍教授課題組在國際上首次提出“數(shù)字編碼與可編程超材料”，提出用二進制數(shù)字編碼來表征超材料的思想，通過改變數(shù)字編碼單元“0”和“1”的空間排布來控制電磁波（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014）。這一概念的提出不僅簡化了超材料的設(shè)計難度和優(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開關(guān)等），在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等電路系統(tǒng)的控制下實時地數(shù)字化調(diào)控電磁波，動態(tài)地實現(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行編碼。近來，東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室程強教授、崔鐵軍教授和東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室金石教授及其博士生趙捷、陽析等提出時間編碼超材料的概念（arXiv 1806.04414），可對電磁頻譜進行任意調(diào)控。在該Nature Communications論文中，崔鐵軍教授等人首次提出了“時空編碼數(shù)字超表面”，特殊設(shè)計的可編程超表面在時間域上按照相應(yīng)的時間編碼序列快速切換，可以在頻率域產(chǎn)生諧波能量分布。同時結(jié)合空間域的編碼排布，一款時空聯(lián)合編碼的數(shù)字超表面可以在空間域和頻率域同時調(diào)控電磁波。 

在該工作中，作者利用優(yōu)化算法，設(shè)計相應(yīng)的時空三維編碼矩陣，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散射截面（RCS），未來有望應(yīng)用于新型的計算成像系統(tǒng)。更重要的是，引入時間維度的編碼之后，可以擴展傳統(tǒng)的空間編碼比特數(shù)，降低了實現(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)計相應(yīng)的時空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實現(xiàn)等效的360度相位覆蓋，這是傳統(tǒng)可編程超表面無法實現(xiàn)的，可用于實現(xiàn)波束塑形等一系列實用功能。

本工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點專項“微波毫米波數(shù)字編碼和現(xiàn)場可編程超構(gòu)材料的理論體系與關(guān)鍵技術(shù)”，以及國家自然科學(xué)基金等項目的資助，相關(guān)實驗測試工作在東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室完成。

論文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41467-018-06802-0