中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
2017年6月23日，浙江大學(xué)光電學(xué)院現代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)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(shí)間帶寬極限）在《Science》發(fā)表（DOI：10.1126/science.aam6662）。該項研究設計了一種波包進(jìn)出時(shí)間非對稱(chēng)的諧振系統，成功打破了一百多年來(lái)限制諧振器設計的“時(shí)間帶寬極限”。系統非對稱(chēng)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(fā)展起到深遠作用。著(zhù)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)行報道，并引發(fā)大量關(guān)注與討論。
據介紹，原在浙江大學(xué)國家光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室從事研究工作的沈林放老師（現為南昌大學(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)團隊由加拿大、中國、美國和瑞士等6所大學(xué)的9名科研人員所組成。研究中非對稱(chēng)系統設計所使用的關(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/波導系統。
以下是參與這項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、機械等相關(guān)領(lǐng)域的共有的現象，諧振器件與系統在現代社會(huì )的各行各業(yè)得到廣泛應用。例如，激光諧振腔，各種波導等。離開(kāi)諧振，計算機不再計算、手機不能刷屏、電視無(wú)法顯示圖像、收音機無(wú)法收音、手表無(wú)法定時(shí)，支撐社會(huì )運行的各類(lèi)物理和工程系統中都需要用到大量諧振器。長(cháng)期以來(lái)，諧振系統的設計被認為受制于一個(gè)基本極限，即：諧振腔等儲存能量的時(shí)間反比于它的帶寬；或者說(shuō)，存儲能力的時(shí)間與系統帶寬的乘積是固定的，存在一個(gè)“時(shí)間帶寬極限”。
這個(gè)規律是由K. S. Johnson在1914年提出的：諧振腔要么儲能時(shí)間較長(cháng)，而帶寬窄；要么帶寬較大，但儲能時(shí)間短。在諧振腔內長(cháng)時(shí)間存儲大數據是不可能的。因為長(cháng)時(shí)間意味著(zhù)帶寬窄，反之亦然。這種時(shí)間帶寬極限規律提出之后的一百多年來(lái)，從來(lái)沒(méi)有被挑戰過(guò)。物理學(xué)家和工程師一直據此來(lái)設計和構建光學(xué)、聲學(xué)、電子諧振系統（見(jiàn)圖1）。從前沿的微納/慢光波導、到原子/分子結構中的振動(dòng)關(guān)系、所有類(lèi)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
打破“魔咒”
現在，這個(gè)極限在理論上已成為過(guò)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(xiàn)性和各向同性的媒質(zhì)中，如果互換源點(diǎn)和觀(guān)察點(diǎn)的位置而不改變源量，則在新觀(guān)察點(diǎn)的場(chǎng)就等于互換前在原觀(guān)察點(diǎn)的場(chǎng)?！庇靡粋€(gè)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(mén)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，可以在屋內停留較長(cháng)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(cháng)時(shí)間就停多長(cháng)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；而由內向外時(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(shuō)，利用控制能量以不同速率進(jìn)入和離開(kāi)諧振腔的方法，或者說(shuō)設計進(jìn)、出時(shí)間非對稱(chēng)的諧振系統，成功打破了一百多年來(lái)限制諧振器設計的“時(shí)間帶寬極限”。系統非對稱(chēng)的程度越高，超越“極限”的程度也越高。
可能的未來(lái)
諧振系統時(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(shí)現真正的超連續譜直流激光，人類(lèi)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(yáng)能的儲能模式等等?？梢灶A料，在不遠的將來(lái)，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(shí)間帶寬極限”這個(gè)一百多年來(lái)困擾設計人員的魔咒，為相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)拓了新的廣闊發(fā)展空間。
