Opsætning af grundlæggende baser for informationsmetasurfaces

Når de er oplyst af elektromagnetiske bølger, partikler i subbølgelængdeskala af metaoverflader kan koble den indfaldende energi til frit rum med kontrollerbar amplitude, fase og polariseringer, sådan at den transmitterede bølge kan manipuleres fleksibelt med foruddesignede funktionaliteter. I de seneste år, hurtige udviklinger af digitale og informations-metaoverflader har stimuleret mange informationsbehandlingsapplikationer, såsom databehandling, trådløs kommunikation, og udføre matematiske operationer. Med den stigende mængde forskning fokuseret på emnet informationsbehandling med metasurfaces, en generel teori til at karakterisere metasurfacernes egenskaber ud fra informationsperspektivet er et presserende behov.

For nylig, Prof. Tie Jun Cuis gruppe ved Southeast University (SEU) har samarbejdet med Prof. Lianlin Li ved Peking University (PKU), og rapporterede et gennembrud om dette emne i National Science Review med titlen "Informationsteori om metasurfaces" (førsteforfatteren er kandidatstuderende, Haotian Wu). I dette arbejde, en generel informationsteori om metasurface foreslås til at analysere forholdet mellem informationen om en metasurface og dens fjernfeltsstrålingsmønster.

At analysere metasfladen fra informationsperspektivet, forskerne introducerede en generel blændemodel til at karakterisere amplitude- og fasereaktionerne af metaoverfladen. Ved at inkorporere den generelle blændemodel af metaoverfladen med usikkerhedsrelation i L2-rum, forskerne fandt en øvre grænse for information indeholdt i strålingsmønsteret på en metasflade, og afslørede den teoretiske øvre grænse for ortogonale strålingstilstande, der kan realiseres af metasoverfladen. Den foreslåede teori giver også vejledning til omvendt design af metasurface med hensyn til givne funktionaliteter. Det vil sige, når det eller de nødvendige strålingsmønstre er specificeret, størrelsen af ​​metaoverfladen skal være større end værdien forudsagt af den foreslåede teori, ellers ville det være umuligt at realisere det eller de påkrævede strålingsmønstre, uanset hvilke designstrategier, der anvendes. Ud over, gennem undersøgelse af informationen om uordnet fasemodulerede metasurfaces, forskerne fandt informationsinvariansen (1-γ) af kaotiske strålingsmønstre genereret af uordnede metaoverflader. Resultatet indikerer, at fjernfeltinformationen for de uordnede fasemodulerede strålingsmønstre altid er lig med 1-γ (γ er Eulers konstant), som er uafhængig af størrelsen af ​​metasfladen, antallet af metasurface-elementer, og fasemønstrene.

For at verificere den foreslåede teori, forskerne analyserede først informationen om fjernfeltsstrålingsmønstre genereret af flere sæt metasurface-prøver med forskellige amplitude- og fasemodulationer. De beregnede resultater er alle afgrænset af den ulighed, som den foreslåede teori giver. Derudover at verificere informationsinvariansen af ​​uordnede metasurflader, de beregnede informationen om fjernfeltsmønstre genereret af flere sæt uordnede fasemodulerede metasurface samples:1-bit digitale kodningsfaser, hvor hver fase antager en af ​​værdierne 0 og π tilfældigt; 2-bit digitale kodningsfaser, hvor hver fase antager en af ​​værdierne 0, π/2, π, og 3/2π tilfældigt, og kontinuert tilfældig fasevariabel beskrevet ved en ensartet sandsynlighedsfordeling. De beregnede resultater af de pletterlignende strålingsmønstre matcher den teoretiske forudsigelse (1-γ) perfekt, som på overbevisende vis demonstrerer informationsinvariansen af ​​de kaotiske fjernfeltsmønstre.

"Den præsenterede teori etablerer en kvantitativ ramme til at karakterisere metasurfacernes informationsbehandlingsevner, som giver dybere fysisk indsigt i forståelsen af ​​metasurface fra informationsperspektiv, og tilbyder nye tilgange til at lette analyser og design af metasurfaces. Resultaterne af denne undersøgelse er generelt anvendelige i en lang række spektre, hvilket ville være nyttigt til at lægge grundlaget for fremtidige undersøgelser af informationsmetasurfacernes regime, ", forudser forskerne.