[论文解读] Perfect Absorption in a Metasurface-Programmable Complex Scattering Enclosure

Mohammadreza F. Imani, David R. Smith+1 more|Figshare|Feb 29, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 38被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新颖方法，通过可编程超表面调节介质的随机性，而非波前整形或损耗调节，在复杂散射腔体中实现完美吸收（PA）。该技术实现了动态、多频段PA，具有极高灵敏度，在微波波段通过实验验证，并应用于一种由接收器供电、物理安全的无线通信协议。

ABSTRACT

Achieving the very special condition of perfect absorption (PA) in a complex scattering enclosure promises to enable a wealth of applications in secure communication, precision sensing, wireless power transfer, analog signal processing and random lasing. Consequently, a lot of recent research effort was dedicated to proposing wave-front shaping protocols to implement coherent PA in a complex scattering environment. Here, instead of shaping the impinging wave front and tuning the system's attenuation, we propose the conceptually different route of solely tweaking the randomness of the complex scattering environment in order to achieve PA. We provide an experimental proof-of-concept in the microwave domain where we tune the randomness of a three-dimensional chaotic cavity with a programmable metasurface. We systematically investigate the achievability and extreme sensitivity of the PA condition. Our technique can impose a PA condition at over hundred distinct frequencies within a small frequency band, which allows us to propose and experimentally demonstrate a concrete practical application: receiver-powered secure wireless communication in a complex scattering enclosure. Our fundamentally new perspective on PA is applicable to all types of wave phenomena and our results foreshadow the large potential of this novel tool for minute wave control in sensing, communication and energy transfer.

研究动机与目标

• 在不进行波前整形或损耗调节的情况下，实现在复杂无序散射环境中的完美吸收（PA）。
• 解决在随机介质中实现PA的根本挑战，因为偶然PA在统计上几乎不可能发生。
• 在复杂散射腔体中实现PA的实际应用，以实现安全、低功耗的无线通信。
• 利用PA条件的极端灵敏度，为通信系统提供物理层安全。
• 通过重新配置可编程超表面来调控散射环境，实现动态、多频段PA。

提出的方法

• 通过可编程超表面重新配置边界条件，调节三维混沌腔体的随机性。
• 通过调整超表面的配置，控制激励端口与腔体模式之间的耦合速率。
• 在不改变系统固有损耗或入射波幅度和相位的情况下实现PA。
• 使用散射矩阵形式化建模系统，其中超表面向总散射矩阵引入可控的散射贡献 $ G_s $。
• 通过选择最优的超表面配置，在窄带内实现100多个频率的PA开关切换。
• 实现一种安全通信协议：Alice通过配置超表面在选定频率诱导PA，Bob通过测量这些频率的反射功率来解码比特。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过仅调节介质随机性，在复杂散射腔体中实现完美吸收，而无需波前整形或损耗调节？
• RQ2 当散射环境的随机性被重新配置时，PA条件的可实现概率和灵敏度如何？
• RQ3 是否可以使用可编程超表面在单一系统中实现动态多频段完美吸收？
• RQ4 如何利用PA条件的极端灵敏度实现安全、低功耗的无线通信？
• RQ5 是否可以设计一种接收器供电的通信协议，其中接收器主动发射信号，而发射器仅需配置超表面？

主要发现

• 在系统中偶然实现完美吸收（反射功率 ≤ 2.5 × 10⁻⁷）的概率仅为 7.5 × 10⁻⁹，证实若无主动控制，PA实际上几乎不可能发生。
• 通过调节超表面，作者在窄带内实现了超过100个不同频率的完美吸收，证明了系统的高度可配置性。
• 该系统表现出极端灵敏度：PA仅发生在接收器端口，而不会出现在窃听者端口，从而确保物理层安全。
• 所提出的通信协议实现了安全的接收器供电传输，Alice仅通过重新配置超表面即可消耗极低能量。
• Bob通过测量选定频率的反射功率来解码比特；若功率低于 -60 dB，则解码为1，否则为0。
• 每个比特值使用多个配置，可防止窃听者识别出模式，确保截获信号表现为随机噪声。