image: （a）k空间的一组测量位置分布；（b）远场电磁辐射强度的理论分布；（c，d）1比特超表面的无序相位图案及所产生的远场强度分布；（e）不同尺寸和相位的1比特超表面的辐射方向图所蕴含信息的理论值和计算结果；（f，g）2比特超表面的无序相位图案及所产生的远场强度分布；（h）不同尺寸和相位的2比特超表面的辐射方向图所蕴含信息的理论值和计算结果；（i，j）连续相位超表面的无序相位图案及所产生的远场强度分布；（k）不同尺寸和相位的连续相位超表面的辐射方向图信息的理论值和计算结果。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
超表面远场辐射信息由超表面的口面函数及电磁波的频率所决定，通过研究超表面的远场信息理论，可为电磁波的信息调控及应用提供指导。
超表面在调控电磁波方面具有举足轻重的作用，是操纵电磁波以实现不同功能的强大平台。电磁波入射至超表面后，超表面单元通过对电磁波幅度、相位和极化等状态的控制，可实现很多复杂而有意思的超常功能。近年来，随着数字编码超表面和信息超表面的提出，超表面的研究已经从原始的物理、光学和材料科学领域扩展到数字和信息领域。多项研究表明超表面在诸如计算成像、无线通信以及数学运算等领域中具有巨大潜力。因此，从信息角度分析和设计超表面成为新的趋势。
近期，东南大学崔铁军教授团队与北京大学李廉林教授合作，提出了超表面的信息理论（第一作者为东南大学博士研究生吴浩天）。研究人员通过分析超表面的电磁响应与远场方向图的关系，并结合L2空间的不确定性原理，分析计算出超表面辐射方向图所蕴含的信息上限。研究表明，这一信息上限由超表面的孔径函数及入射电磁波的频率所决定。相应成果已在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。
通过深入研究超表面远场信息不等式这一约束条件，可以推导出一定面积超表面所能实现的正交波束的上限，进而为超表面的逆向设计提供了理论指导。特别地，通过对无序相位调制超表面及其远场方向图的研究，该研究团队发现了无序相位超表面辐射方向图的信息不变性。也就是说，不论无序相位超表面的尺寸、单元数量以及随机相位的模式如何改变，其远场辐射方向图的信息始终为1-γ，其中γ是欧拉常数。通过上述研究结果，该理论有望为超表面的信息调制应用（例如计算成像、隐身和无线通信等）提供理论指导。
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论文信息：Information Theory of Metasurfaces. National Science Review, nwz195, https://doi.org/10.1093/nsr/nwz195
Journal
National Science Review