信息超材料

信息超材料的概念

东南大学崔铁军研究组于 2017 年在 Journal of Materials Chemistry C 的特邀论文中提出「信息超材料」的概念，涵盖了数字编码超材料、现场可编程超材料以及未来的软件化超材料和可认知超材料，是物理学与信息科学的有机融合。

信息超材料采用数字化方式对超材料的人工原子进行表征与标定，从而使人们可以从信息的角度来分析与设计超材料，它能直接处理数字编码信息，并可进一步对信息进行感知、理解，甚至记忆、学习，为基于超材料的电磁波调控提供了一个全新的物理平台，从而实现对信息更加灵活、实时和智能地控制。

信息超材料的核心是在超材料的物理空间上建立起数字空间，可将电磁学和信息科学有机地结合起来，开拓新的学科方向，产生一系列具有新体制新机理的信息系统。

信息超材料的基本原理

数字编码表征使得信息超材料的物理特征和功能不但受物理学原理（例如几何光学、物理光学、麦克斯韦方程、近远场散射等）所支配，而且可以在超材料的物理空间上进行信息操作和数字信号处理运算。

崔铁军研究组提出利用香农信息熵来表征具有不同数字编码图案的信息超材料所携带的信息量，由此可通过设计不同的数字编码图案来操控信息超材料所辐射的信息量。数值仿真与理论计算表明，香农信息熵可用来准确评估信息超材料所携带信息量的大小。

信息超材料的应用——无线通信系统

由于信息超材料建立起电磁波和数字世界的桥梁，将电磁学和信息科学有机地结合在一起，因此基于信息超材料可构建全新体制的信息系统。

现代无线通信系统的工作原理是，先将所要传递的信息转换为数字形式的二进制码，通过数字/模拟转换，将数字信号变成中频模拟信号，再将中频模拟信号进行调制，加载到载波，经过放大和微波射频链路后通过发射天线发送出去。

基于信息超材料，崔铁军研究组提出了一种全新的直接辐射无线数字通信系统，极大地简化了传统通信构架，发射系统所传递的信息被加载到可编程超材料上，在馈源天线的照射下以不断变换的远场方向图的形式直接辐射到自由空间中；接收系统将处于远场区域不同位置处的接收天线所接收到的电场值汇总得到远场方向图，并通过对比远场方向图与编码序列之间的映射关系而恢复出所发送的原始信息。

基于信息超材料的无线通信系统新架构也引起了国内外通信领域学者的极大关注，从接收机、信道模型、路径损耗模型、能耗等多种不同角度对新机制无线通信进行了大量研究，被视为下一代无线通信的候选技术之一。

References

崔铁军, 吴浩天, and 刘硕. "信息超材料研究进展." 物理学报 69.15(2020):13.