中美學(xué)者日前聯(lián)合在著名期刊《科學(xué)》上發(fā)表了一篇論文，打破了限制諧振器設(shè)計(jì)的"時(shí)間帶寬極限"，被國(guó)外媒體稱為"解決了一個(gè)百年物理難題"。論文共同作者之一、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)室鄭曉東研究員告訴記者，本研究將對(duì)新型器件和系統(tǒng)的發(fā)展起到深遠(yuǎn)作用。論文共同第一作者、南昌大學(xué)沈林放教授此前亦曾在浙大現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。

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，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(wú)法顯示圖像、收音機(jī)無(wú)法收音、手表無(wú)法定時(shí)……

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?？茖W(xué)家在1914年就發(fā)現(xiàn)，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。帶寬表明數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。"時(shí)間帶寬極限"意味著，在諧振腔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)是不可能的，“長(zhǎng)時(shí)間”和“大數(shù)據(jù)”魚和熊掌不可兼得。

這種時(shí)間帶寬極限規(guī)律提出之后的100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)。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。

受時(shí)間-帶寬限制的諸多光、電系統(tǒng)

而中美科學(xué)家本次研究打破了這一魔咒。鄭曉東用一個(gè)粗略的比喻解釋了科學(xué)家們的做法。諧振腔就像一間屋子，在門口的人通過蕩秋千進(jìn)入和離開屋子。諧振腔的時(shí)間帶寬極限意味著這樣一種奇怪的規(guī)定：如果大家蕩秋千的速度一樣，那么就以這同一速度蕩進(jìn)去，可以在屋子里待上比較長(zhǎng)的一段時(shí)間，再統(tǒng)一蕩出來;如果彼此速度不同，有快有慢，那就只能在屋子里待很短的時(shí)間，一進(jìn)去就得蕩出來。而科學(xué)家們提出的新方法，讓人們并排以正常速度蕩入屋內(nèi);而離開時(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。

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)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，這種不對(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。

鄭曉東認(rèn)為，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。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(yáng)能的儲(chǔ)能模式等等。可以預(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。