中美学者联手解决百年物理难题,研究成果发表Science上!

2017-07-03 

  2017年6月23日,浙江大学光电学院现代光学仪器国家重点实验室郑晓东研究员参与完成的研究成果“Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering”(打破洛伦兹互易性以克服物理和工程中的时间带宽极限)在《Science》发表(DOI:10.1126/science.aam6662)。该项研究设计了一种波包进出时间非对称的谐振系统,成功打破了一百多年来限制谐振器设计的“时间带宽极限”。系统非对称的程度越高,超越“极限”的程度也越高。这一研究将对新型器件和系统的发展起到深远作用。著名科学新闻网站PHYS.ORG以“A 100-year-old physics problem has been solved”为题进行报道,并引发大量关注与讨论。

  据介绍,原在浙江大学国家光学仪器国家重点实验室从事研究工作的沈林放老师(现为南昌大学空间研究院研究员)为文章的共同第一作者,浙江大学郑晓东及南昌大学邓晓华教授为文章共同作者。整个团队由加拿大、中国、美国和瑞士等6所大学的9名科研人员所组成。研究中非对称系统设计所使用的关键体系就是南昌大学和浙江大学合作研究的磁光材料混合谐振腔/波导系统。

  以下是参与这项研究的郑晓东老师为这一进展所做的解读:

  什么是“时间带宽极限”?

  谐振是光、电、声波、机械等相关领域的共有的现象,谐振器件与系统在现代社会的各行各业得到广泛应用。例如,激光谐振腔,各种波导等。离开谐振,计算机不再计算、手机不能刷屏、电视无法显示图像、收音机无法收音、手表无法定时,支撑社会运行的各类物理和工程系统中都需要用到大量谐振器。长期以来,谐振系统的设计被认为受制于一个基本极限,即:谐振腔等储存能量的时间反比于它的带宽;或者说,存储能力的时间与系统带宽的乘积是固定的,存在一个“时间带宽极限”。

  这个规律是由K. S. Johnson在1914年提出的:谐振腔要么储能时间较长,而带宽窄;要么带宽较大,但储能时间短。在谐振腔内长时间存储大数据是不可能的。因为长时间意味着带宽窄,反之亦然。这种时间带宽极限规律提出之后的一百多年来,从来没有被挑战过。物理学家和工程师一直据此来设计和构建光学、声学、电子谐振系统(见图1)。从前沿的微纳/慢光波导、到原子/分子结构中的振动关系、所有类型的谐振腔、晶体振荡器等等被时间带宽极限所限制。

图1 受时间-带宽限制的诸多光、电系统。

图2 非对称谐振腔/波导系统。

  打破“魔咒”

  现在,这个极限在理论上已成为过去。那么,这个魔咒是如何被打破的呢?论文所给出的解决途径是打破“洛仑兹互易性”。洛仑兹互易定理是电磁场的基本定理。它所描述的是:“在线性和各向同性的媒质中,如果互换源点和观察点的位置而不改变源量,则在新观察点的场就等于互换前在原观察点的场。”用一个不太准确,但大家都能懂的比喻:如果把谐振腔比喻为一间屋子,传统谐振腔的能量振荡就像是一排人在门口荡秋千,从屋里向屋外和从屋外向屋里是一样,有互易性。这种互易性的谐振腔,要么只允许荡得快慢一样的人进出,可以在屋内停留较长时间;如果速度有快有慢,就只能停留很短时间。也就是物理和工程中的时间带宽极限。怎么做到使大人、小孩,荡速快和慢的人都能进去,又能在屋里想停留多长时间就停多长时间呢?文章给出的方案是,让人们并排以正常速度荡入屋内;而由内向外时就不再并排,而是以可控的速度依次按顺序向外回荡。也就是说,利用控制能量以不同速率进入和离开谐振腔的方法,或者说设计进、出时间非对称的谐振系统,成功打破了一百多年来限制谐振器设计的“时间带宽极限”。系统非对称的程度越高,超越“极限”的程度也越高。

  接下来的问题是,如何能使进入和离开谐振系统的能量具有可以自由调节的速率,这是实现非对称系统设计的关键。论文中所使用的独家秘笈就是南昌大学和浙江大学合作研究的磁光材料混合谐振腔/波导系统(见图2)。利用这种系统,就可以游刃有余地自由控制反向传播电磁波的能量传播速率,在太赫兹波段,传统的时间-带宽限制已经可以提高上千倍。从理论上说,在这些(时间)不对称系统中根本没有上限,带宽不再受制于能量的存储时间。

  可能的未来

  谐振系统时间带宽极限的突破,将会在物理和工程的众多领域产生深远影响,潜在应用前景十分广泛,包括通信、光探测、能量采集和信息存储等等。例如,人们有可能实现真正的超连续谱直流激光,人类可以将很多现在的光源变成方向性的光源,甚至改变现在太阳能的储能模式等等。可以预料,在不远的将来,据此原理的大量新型器件和系统将应运而生。

  该团队成功打破了谐振系统“时间带宽极限”这个一百多年来困扰设计人员的魔咒,为相关的多个领域开拓了新的广阔发展空间。

  (来源:浙江大学求是新闻网)

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