Wanneer verlicht door elektromagnetische golven, deeltjes op subgolflengteschaal van meta-oppervlakken kunnen de invallende energie koppelen aan de vrije ruimte met een regelbare amplitude, fase en polarisaties, zodat de uitgezonden golf flexibel kan worden gemanipuleerd met vooraf ontworpen functionaliteiten. In recente jaren, snelle ontwikkelingen van digitale en informatie-meta-oppervlakken hebben veel informatieverwerkingstoepassingen gestimuleerd, zoals computationele beeldvorming, draadloze communicatie, en het uitvoeren van wiskundige bewerkingen. Met de toenemende hoeveelheid onderzoek gericht op het onderwerp informatieverwerking met meta-oppervlakken, een algemene theorie om de eigenschappen van meta-oppervlakken te karakteriseren vanuit het informatieperspectief is dringend nodig.

Onlangs, De groep van prof. Tie Jun Cui aan de Southeast University (SEU) heeft samengewerkt met prof. Lianlin Li van de Universiteit van Peking (PKU), en rapporteerde een doorbraak over dit onderwerp in Nationale wetenschappelijke recensie getiteld "Informatietheorie van metasurfaces" (de eerste auteur is afgestudeerde student, Haotian Wu). In dit werk, een algemene informatietheorie van het meta-oppervlak wordt voorgesteld om de relatie tussen de informatie van een meta-oppervlak en het verre-veld stralingspatroon te analyseren.

Om het meta-oppervlak te analyseren vanuit het informatieperspectief, de wetenschappers introduceerden een algemeen apertuurmodel om de amplitude- en fasereacties van het meta-oppervlak te karakteriseren. Door het algemene apertuurmodel van het meta-oppervlak met onzekerheidsrelatie in de L2-ruimte op te nemen, de wetenschappers vonden een bovengrens van informatie in het stralingspatroon van een meta-oppervlak, en onthulde de theoretische bovengrens van orthogonale stralingstoestanden die door het meta-oppervlak kunnen worden gerealiseerd. De voorgestelde theorie biedt ook richtlijnen voor het inverse ontwerp van metasurface met betrekking tot bepaalde functionaliteiten. Het is te zeggen, zodra het (de) vereiste stralingspatroon(en) is/zijn gespecificeerd, de grootte van het meta-oppervlak moet groter zijn dan de waarde voorspeld door de voorgestelde theorie, anders zou het onmogelijk zijn om het (de) vereiste stralingspatroon(en) te realiseren, ongeacht welke ontwerpstrategieën worden gevolgd. In aanvulling, door het onderzoeken van de informatie van ongeordende fase gemoduleerde meta-oppervlakken, de wetenschappers vonden de informatie-invariantie (1-γ) van chaotische stralingspatronen gegenereerd door ongeordende meta-oppervlakken. Het resultaat geeft aan dat de verre-veldinformatie van de ongeordende fase-gemoduleerde stralingspatronen altijd gelijk is aan 1-γ (γ is de constante van Euler), die onafhankelijk is van de grootte van het metaoppervlak, het aantal metasurface-elementen, en de fasepatronen.

Om de voorgestelde theorie te verifiëren, de wetenschappers analyseerden eerst de informatie van verre-veldstralingspatronen die werden gegenereerd door meerdere sets metasurface-monsters met verschillende amplitude- en fasemodulaties. De berekende resultaten worden allemaal begrensd door de ongelijkheid die de voorgestelde theorie biedt. Aanvullend, om de informatie-invariantie van ongeordende meta-oppervlakken te verifiëren, ze berekenden de informatie van far-field-patronen die werden gegenereerd door meerdere sets ongeordende fase-gemoduleerde metasurface-samples:1-bit digitale coderingsfasen waarbij elke fase willekeurig een van de waarden 0 en π aannam; 2-bit digitale coderingsfasen waarbij elke fase een van de waarden 0 aanneemt, /2, ik, en 3/2π willekeurig, en continue willekeurige fasevariabele beschreven door een uniforme kansverdeling. De berekende resultaten van de spikkelachtige stralingspatronen komen perfect overeen met de theoretische voorspelling (1-γ), die op overtuigende wijze de informatie-invariantie van de chaotische far-field-patronen aantonen.

"De gepresenteerde theorie stelt een kwantitatief kader vast om de informatieverwerkingscapaciteiten van meta-oppervlakken te karakteriseren, die diepere fysieke inzichten biedt in het begrijpen van metasurface vanuit informatieperspectief, en biedt nieuwe benaderingen om analyses en ontwerpen van meta-oppervlakken te vergemakkelijken. De bevindingen van dit onderzoek zijn algemeen toepasbaar in een breed spectrum van spectra, die nuttig zou zijn om de basis te leggen voor toekomstig onderzoek naar het regime van informatiemeta-oppervlakken, ' voorspellen de wetenschappers.