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深度解讀

打破“時(shí)間帶寬極限”魔咒:器件新革命

來源:浙江大學(xué)2017-07-03 我要評(píng)論(0 )   

2017年6月23日,浙江大學(xué)光電學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭曉東研究員參與完成的研究成果“打破洛倫茲互易性以克服物理和工程中的時(shí)間帶寬極限“在《Science》發(fā)表...

2017年6月23日,浙江大學(xué)光電學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)間帶寬極限)在《Science》發(fā)表。該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種波包進(jìn)出時(shí)間非對(duì)稱的諧振系統(tǒng),成功打破了一百多年來限制諧振器設(shè)計(jì)的“時(shí)間帶寬極限”。系統(tǒng)非對(duì)稱的程度越高,超越“極限”的程度也越高。這一研究將對(duì)新型器件和系統(tǒng)的發(fā)展起到深遠(yuǎn)作用。著名科學(xué)新聞網(wǎng)站Phys.org以“A 100-year-old physics problem has been solved”為題進(jìn)行報(bào)道,并引發(fā)大量關(guān)注與討論。

據(jù)介紹,原在浙江大學(xué)國(guó)家光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事研究工作的沈林放老師(現(xiàn)為南昌大學(xué)空間研究院研究員)為文章的共同第一作者,浙江大學(xué)鄭曉東及南昌大學(xué)鄧曉華教授為文章共同作者。整個(gè)團(tuán)隊(duì)由加拿大、中國(guó)、美國(guó)和瑞士等6所大學(xué)的9名科研人員所組成。研究中非對(duì)稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的關(guān)鍵體系就是南昌大學(xué)和浙江大學(xué)合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導(dǎo)系統(tǒng)。


以下是參與這項(xiàng)研究的鄭曉東老師為這一進(jìn)展所做的解讀:

什么是“時(shí)間帶寬極限”?

諧振是光、電、聲波、機(jī)械等相關(guān)領(lǐng)域的共有的現(xiàn)象,諧振器件與系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)的各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如,激光諧振腔,各種波導(dǎo)等。離開諧振,計(jì)算機(jī)不再計(jì)算、手機(jī)不能刷屏、電視無法顯示圖像、收音機(jī)無法收音、手表無法定時(shí),支撐社會(huì)運(yùn)行的各類物理和工程系統(tǒng)中都需要用到大量諧振器。長(zhǎng)期以來,諧振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被認(rèn)為受制于一個(gè)基本極限,即:諧振腔等儲(chǔ)存能量的時(shí)間反比于它的帶寬;或者說,存儲(chǔ)能力的時(shí)間與系統(tǒng)帶寬的乘積是固定的,存在一個(gè)“時(shí)間帶寬極限”。

這個(gè)規(guī)律是由K. S. Johnson在1914年提出的:諧振腔要么儲(chǔ)能時(shí)間較長(zhǎng),而帶寬窄;要么帶寬較大,但儲(chǔ)能時(shí)間短。在諧振腔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)是不可能的。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間意味著帶寬窄,反之亦然。這種時(shí)間帶寬極限規(guī)律提出之后的一百多年來,從來沒有被挑戰(zhàn)過。物理學(xué)家和工程師一直據(jù)此來設(shè)計(jì)和構(gòu)建光學(xué)、聲學(xué)、電子諧振系統(tǒng)(見圖1)。從前沿的微納/慢光波導(dǎo)、到原子/分子結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)關(guān)系、所有類型的諧振腔、晶體振蕩器等等被時(shí)間帶寬極限所限制。

圖1受時(shí)間-帶寬限制的諸多光、電系統(tǒng)。

打破“魔咒”

現(xiàn)在,這個(gè)極限在理論上已成為過去。那么,這個(gè)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(chǎng)的基本定理。它所描述的是:“在線性和各向同性的媒質(zhì)中,如果互換源點(diǎn)和觀察點(diǎn)的位置而不改變?cè)戳浚瑒t在新觀察點(diǎn)的場(chǎng)就等于互換前在原觀察點(diǎn)的場(chǎng)。”用一個(gè)不太準(zhǔn)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(tǒng)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(jìn)出,可以在屋內(nèi)停留較長(zhǎng)時(shí)間;如果速度有快有慢,就只能停留很短時(shí)間。也就是物理和工程中的時(shí)間帶寬極限。怎么做到使大人、小孩,蕩速快和慢的人都能進(jìn)去,又能在屋里想停留多長(zhǎng)時(shí)間就停多長(zhǎng)時(shí)間呢?

文章給出的方案是,讓人們并排以正常速度蕩入屋內(nèi);而由內(nèi)向外時(shí)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(jìn)入和離開諧振腔的方法,或者說設(shè)計(jì)進(jìn)、出時(shí)間非對(duì)稱的諧振系統(tǒng),成功打破了一百多年來限制諧振器設(shè)計(jì)的“時(shí)間帶寬極限”。系統(tǒng)非對(duì)稱的程度越高,超越“極限”的程度也越高。

圖2非對(duì)稱諧振腔/波導(dǎo)系統(tǒng)。


接下來的問題是,如何能使進(jìn)入和離開諧振系統(tǒng)的能量具有可以自由調(diào)節(jié)的速率,這是實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。論文中所使用的獨(dú)家秘笈就是南昌大學(xué)和浙江大學(xué)合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導(dǎo)系統(tǒng)(見圖2)。利用這種系統(tǒng),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(tǒng)的時(shí)間-帶寬限制已經(jīng)可以提高上千倍。從理論上說,在這些(時(shí)間)不對(duì)稱系統(tǒng)中根本沒有上限,帶寬不再受制于能量的存儲(chǔ)時(shí)間。

可能的未來

諧振系統(tǒng)時(shí)間帶寬極限的突破,將會(huì)在物理和工程的眾多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,潛在應(yīng)用前景十分廣泛,包括通信、光探測(cè)、能量采集和信息存儲(chǔ)等等。例如,人們有可能實(shí)現(xiàn)真正的超連續(xù)譜直流激光,人類可以將很多現(xiàn)在的光源變成方向性的光源,甚至改變現(xiàn)在太陽能的儲(chǔ)能模式等等??梢灶A(yù)料,在不遠(yuǎn)的將來,據(jù)此原理的大量新型器件和系統(tǒng)將應(yīng)運(yùn)而生。

該團(tuán)隊(duì)成功打破了諧振系統(tǒng)“時(shí)間帶寬極限”這個(gè)一百多年來困擾設(shè)計(jì)人員的魔咒,為相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域開拓了新的廣闊發(fā)展空間。

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諧振系統(tǒng)時(shí)間帶寬極限
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