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打破“時間帶寬極限”魔咒:光學器件新革命

發布時間:2018-09-30

2017年6月23日,浙江大學光電學院現代光學儀器國家重點實驗室鄭曉東研究員參與完成的研究成果“Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering”(打破洛倫茲互易性以克服物理和工程中的時間帶寬極限)在《Science》發表。該項研究設計了一種波包進出時間非對稱的諧振系統,成功打破了一百多年來限制諧振器設計的“時間帶寬極限”。系統非對稱的程度越高,超越“極限”的程度也越高。這一研究將對新型器件和系統的發展起到深遠作用。著名科學新聞網站Phys.org以“A 100-year-old physics problem has been solved”為題進行報道,并引發大量關注與討論。

據介紹,原在浙江大學國家光學儀器國家重點實驗室從事研究工作的沈林放老師(現為南昌大學空間研究院研究員)為文章的共同第一作者,浙江大學鄭曉東及南昌大學鄧曉華教授為文章共同作者。整個團隊由加拿大、中國、美國和瑞士等6所大學的9名科研人員所組成。研究中非對稱系統設計所使用的關鍵體系就是南昌大學和浙江大學合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導系統。

以下是參與這項研究的鄭曉東老師為這一進展所做的解讀:

什么是“時間帶寬極限”?

諧振是光、電、聲波、機械等相關領域的共有的現象,諧振器件與系統在現代社會的各行各業得到廣泛應用。例如,激光諧振腔,各種波導等。離開諧振,計算機不再計算、手機不能刷屏、電視無法顯示圖像、收音機無法收音、手表無法定時,支撐社會運行的各類物理和工程系統中都需要用到大量諧振器。長期以來,諧振系統的設計被認為受制于一個基本極限,即:諧振腔等儲存能量的時間反比于它的帶寬;或者說,存儲能力的時間與系統帶寬的乘積是固定的,存在一個“時間帶寬極限”。

這個規律是由K. S. Johnson在1914年提出的:諧振腔要么儲能時間較長,而帶寬窄;要么帶寬較大,但儲能時間短。在諧振腔內長時間存儲大數據是不可能的。因為長時間意味著帶寬窄,反之亦然。這種時間帶寬極限規律提出之后的一百多年來,從來沒有被挑戰過。物理學家和工程師一直據此來設計和構建光學、聲學、電子諧振系統(見圖1)。從前沿的微納/慢光波導、到原子/分子結構中的振動關系、所有類型的諧振腔、晶體振蕩器等等被時間帶寬極限所限制。

圖1受時間-帶寬限制的諸多光、電系統。

打破“魔咒”

現在,這個極限在理論上已成為過去。那么,這個魔咒是如何被打破的呢?論文所給出的解決途徑是打破“洛侖茲互易性”。洛侖茲互易定理是電磁場的基本定理。它所描述的是:“在線性和各向同性的媒質中,如果互換源點和觀察點的位置而不改變源量,則在新觀察點的場就等于互換前在原觀察點的場。”用一個不太準確,但大家都能懂的比喻:如果把諧振腔比喻為一間屋子,傳統諧振腔的能量振蕩就像是一排人在門口蕩秋千,從屋里向屋外和從屋外向屋里是一樣,有互易性。這種互易性的諧振腔,要么只允許蕩得快慢一樣的人進出,可以在屋內停留較長時間;如果速度有快有慢,就只能停留很短時間。也就是物理和工程中的時間帶寬極限。怎么做到使大人、小孩,蕩速快和慢的人都能進去,又能在屋里想停留多長時間就停多長時間呢?

文章給出的方案是,讓人們并排以正常速度蕩入屋內;而由內向外時就不再并排,而是以可控的速度依次按順序向外回蕩。也就是說,利用控制能量以不同速率進入和離開諧振腔的方法,或者說設計進、出時間非對稱的諧振系統,成功打破了一百多年來限制諧振器設計的“時間帶寬極限”。系統非對稱的程度越高,超越“極限”的程度也越高。

圖2非對稱諧振腔/波導系統。

接下來的問題是,如何能使進入和離開諧振系統的能量具有可以自由調節的速率,這是實現非對稱系統設計的關鍵。論文中所使用的獨家秘笈就是南昌大學和浙江大學合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導系統(見圖2)。利用這種系統,就可以游刃有余地自由控制反向傳播電磁波的能量傳播速率,在太赫茲波段,傳統的時間 -帶寬限制已經可以提高上千倍。從理論上說,在這些(時間)不對稱系統中根本沒有上限,帶寬不再受制于能量的存儲時間。

可能的未來

諧振系統時間帶寬極限的突破,將會在物理和工程的眾多領域產生深遠影響,潛在應用前景十分廣泛,包括通信、光探測、能量采集和信息存儲等等。例如,人們有可能實現真正的超連續譜直流激光,人類可以將很多現在的光源變成方向性的光源,甚至改變現在太陽能的儲能模式等等。可以預料,在不遠的將來,據此原理的大量新型器件和系統將應運而生。

該團隊成功打破了諧振系統“時間帶寬極限”這個一百多年來困擾設計人員的魔咒,為相關的多個領域開拓了新的廣闊發展空間。


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