近日，東南大學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域取得新進展，研究成果以“Space-time-coding digital metasurfaces（時空編碼數字超表面）”為題，10月18日在線發表于《自然通訊》（Nature Communications）。東南大學為第一署名單位，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合電磁結構。由于其基本單元和排列方式都可任意設計，因此能構造出傳統材料與傳統技術不能實現的超常規媒質參數，進而對電磁波進行高效靈活調控，實現一系列自然界不存在的新奇物理特性和應用。然而，傳統的電磁超材料和超表面都是基于連續變化的媒質參數，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“數字編碼與可編程超材料”，提出用二進制數字編碼來表征超材料的思想，通過改變數字編碼單元“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計難度和優化流程，構建了超材料由物理空間通往數字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學的角度來理解和探索超材料。更重要地是，超材料的數字化編碼表征方式非常有利于結合一些有源器件（例如二極管和MEMS開關等），在現場可編程門陣列（FPGA）等電路系統的控制下實時地數字化調控電磁波，動態地實現多種完全不同的功能。

然而，之前關于數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，東南大學毫米波國家重點實驗室程強教授、崔鐵軍教授和東南大學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“時空編碼數字超表面”，特殊設計的可編程超表面在時間域上按照相應的時間編碼序列快速切換，可以在頻率域產生諧波能量分布。同時結合空間域的編碼排布，一款時空聯合編碼的數字超表面可以在空間域和頻率域同時調控電磁波。

在該工作中，作者利用優化算法，設計相應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），未來有望應用于新型的計算成像系統。更重要的是，引入時間維度的編碼之后，可以擴展傳統的空間編碼比特數，降低了實現高比特可編程超表面的系統復雜度。例如，一款2比特的可編程超表面，只要設計相應的時空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實現等效的360度相位覆蓋，這是傳統可編程超表面無法實現的，可用于實現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計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項“微波毫米波數字編碼和現場可編程超構材料的理論體系與關鍵技術”，以及國家自然科學基金等項目的資助，相關實驗測試工作在東南大學毫米波國家重點實驗室完成。