东南大学崔铁军院士团队：信息超材料

电磁超材料是通过周期或准周期性地排列亚波长单元来控制其电磁响应的人工结构，可获得自然界材料难以实现的物理现象和电磁功能，引起了电磁、物理和材料等多个领域的研究热潮，已成功应用于天线设计、隐身、雷达、通信等多个领域，展现出对电磁波的强大调控能力。从物理机制上，电磁超材料的核心是研究电磁波与物质结构的相互作用。因此，长期以来超材料设计均基于电磁参数的连续或准连续调控，可以视作“模拟超材料”，其表征方式和分析方法需要引入较多的物理参数，存在设计优化复杂、功能固化、难以实时调控电磁波等缺点。

▲ 电磁超材料的发展路线图：从模拟超材料到信息超材料。信息超材料的内涵包括数字编码超材料、可编程超材料、软件化/智能超材料和可认知超材料等

以数字编码超材料和现场可编程超材料为代表的信息超材料为解决上述问题提供了有效途径。数字编码超材料创新性地利用二进制编码方式表征超材料，利用数字编码序列来操控电磁波，极大程度地简化了超材料设计与优化流程。与传统超材料相比，数字编码超材料的核心是单元的“数字表征” 和阵列的“数字编码”。单元的数字状态可由有源器件或有源材料实时控制，而阵列的数字编码可由现场可编程门阵列(FPGA) 实时切换，因此构建出了一类全新的超材料——现场可编程超材料，实现了对电磁场与电磁波的实时可编程操控，极大地丰富了超材料对电磁波的操控能力。更为重要的是，操控电磁波的数字编码序列是信息“编码比特流” 的表征形式，所以现场可编程超材料在实时控制电磁波的同时也在处理数字信息，又称为信息超材料。信息超材料极大地丰富了电磁超材料的内涵，建立了电磁物理世界与数字世界的桥梁，为超材料领域的进一步发展开辟了新方向。信息超材料能实时操控电磁波和直接处理数字信息，并进一步对信息进行感知、理解，甚至记忆、学习和认知，因此为电磁波调控和信息调制提供了全新的物理平台，构建了超材料新体系。

▲ 基于信息超表面的近场多通道信息传输示意图

信息超材料同时受麦克斯韦方程、信息论、数字信号处理等理论与方法所支配，其内涵包括数字编码超材料、现场可编程超材料、软件定义超材料、智能超材料、可认知超材料等。信息超材料的最大特点是把电磁物理空间和数字空间融为一体，在操控电磁场和波的同时完成信息的感知、处理与调制。信息超材料既可为重大理论突破和方法创新提供契机，又能构建新体制、低成本、自主可控的电子信息系统，可颠覆传统通信和雷达等领域的设计理念和功能，在国防领域和国民经济主战场产生颠覆性或变革性应用，实现跨越式发展。信息超材料引起了国内外学者的广泛关注与研究热潮，研究范围也从最初的微波频段拓展到太赫兹、光学以及声学频段。经过近几年的发展，信息超材料已经在电磁领域展现出优异性能，可突破现有技术的桎梏，构筑通信、成像、雷达等新型信息超材料系统，具有重要的应用价值，为下一代电子信息技术和体系的发展提供了全新思路。

▲ 基于信息超材料的可编程全息成像系统示意图

《信息超材料》（崔铁军, 张磊, 吴瑞元著. 北京 : 龙门书局, 2024. 11）由东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士团队成员合作编写，涵盖了该团队近年来在信息超材料领域的众多研究成果。

本书对近年来信息超材料领域的一些重要工作进行归纳总结，详细介绍了信息超材料的基本原理、设计方法、调控/调制理论，以及在相关器件与系统中的应用。全书层次清晰、内容丰富，包含大量的信息超材料设计案例，可为相关领域的硕士和博士研究生或从业人员提供参考。全书共9 章，主要内容包括：

• 第1 章引言，介绍了电磁超材料和信息超材料的基本概念和发展历史，并对未来的发展趋势进行了展望；

• 第2 章数字编码超材料，介绍了数字编码超材料的基本概念和工作原理，展示了多种微波、太赫兹和声学频段数字编码超材料的设计方法，并介绍了多功能数字编码超材料的代表性应用；

• 第3 章现场可编程超材料，介绍了可编程超材料的基本概念和工作原理，重点介绍了微波段可编程超材料的主要应用，展示了几种太赫兹和光波段可编程超材料的设计案例；

• 第4 章信息超材料的数字信息理论，介绍了信息超材料的卷积定理、加法定理、信息熵、电磁信息论以及时空信息转换理论；

• 第5 章时间编码超材料，介绍了时间编码超材料的概念、理论及应用，展示了其对电磁频谱的灵活调控；

• 第6 章时空编码超材料，介绍了时空编码超材料的概念、工作原理及代表性应用，展示了其在时域、空域、频域对电磁波和数字信息进行多维度调控与处理的能力；

• 第7 章信息超材料在无线通信中的应用，介绍了超材料无线通信的基本原理、简化架构的发射机系统以及一些新体制的无线通信系统原型；

• 第8章智能超材料及系统级应用，介绍了基于信息超材料的新体制成像系统和智能可编程系统，展示了几种典型应用；

• 第9 章结束语，总结了全书的主要内容，并探讨了信息超材料的未来发展方向。

崔铁军，中国科学院院士，IEEEFellow，东南大学毫米波全国重点实验室主任。崔院士长期从事电磁超材料和计算电磁学研究，提出用数字编码表征超材料的新思想，创建了信息超材料新体系;率领团队研制出自主可控的大型专用电磁仿真软件。学术论文被引74000余次、H因子132，连续多年人选科睿唯安全球高被引学者。研究成果获2014和2018年国家自然科学二等奖，信息超材料工作获2023年中国通信学会自然科学一等奖、2023年首届国际基础科学大会前沿科学奖、2024年陈嘉庚信息科学奖、2024年IEEE通信学会马可尼奖、2024年世界互联网大会领先科技（自然科学）奖等。

张磊，博士，东南大学毫米波全国重点实验室副教授，入选中国科协青年人才托举工程，主要从事电磁超材料、智能超表面和时空数字超表面等方向的研究。发表SCI论文70余篇，被引用7600余次、H因子44，入选全球前2%顶尖科学家；主持国家自然科学基金、国防重点项目、中国博士后创新人才支持计划等项目。研究成果入选2024年世界互联网大会领先科技奖、2021年度中国高等学校十大科技进展；获中国电子学会和江苏省优秀博士学位论文、江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文、中国光学优秀论文、宝钢优秀学生特等奖等荣誉。

吴瑞元，博士，现为东南大学毫米波全国重点实验室至善博士后，2020年中国博士后创新人才支持计划、2023和2024年斯坦福大学全球前2%科学家年度榜单入选者。主要从事电磁超材料、信息超材料、反射/透射阵列天线等方向的研究，在Advanced Optical Materials、Nanophotonics、Science China Physics,Mechanics & Astronomy、IEEE Internet of Things Journal 和IEEE TAP等高水平期刊上发表多篇论文，总被引超2400次，H因子24；主持中国博士后科学基金面上项目、江苏省自然科学基金青年基金等项目；获得中国电子教育学会优秀博士论文奖。

本书的编写主要由东南大学毫米波全国重点实验室的崔铁军教授、张磊博士和吴瑞元博士完成。研究生陈晓晴、郑熠宁、黄卓然、何实、郭雪云、石浩天协助完成了本书的校稿工作，在此对参与本书撰写和校对的各位老师和同学表示深深敬意，同时向科学出版社参与本书出版的诸君表示衷心感谢。本书部分内容得到了国家自然科学基金委“信息超材料” 基础科学中心项目(62288101) 资助，在此一并感谢。

本文摘编自《信息超材料》（崔铁军, 张磊, 吴瑞元著. 北京 : 龙门书局, 2024. 11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(超材料前沿交叉科学丛书)

ISBN 978-7-5088-6487-7

责任编辑：陈艳峰 杨 探

本书系统地阐述了信息超材料的基本原理和设计方法，包括数字编码超材料、现场可编程超材料、时间/时空编码超材料和信息超材料的信息理论等方面的最新进展；同时也介绍了信息超材料在无线通信、微波/雷达成像和智能可编程系统中的重要应用。

本书简明易懂、逻辑清晰，对从事超材料、超表面及其他相关领域的研究人员具有重要的参考价值，也可作为电子信息技术相关专业研究人员和高等院校师生的参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

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