@ 2017.07.10 , 11:00
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百年物理问题得到解决

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究者挑战了一个基本定律,发现导波系统能存储的电磁能比先前认为的更多。这一发现可用于通讯行业。针对该基本定律,研究者认为谐振和导波系统能够长期存储能量并同时保持宽频带。他们的技巧是利用磁场创造不对称谐振或导波系统。

这一研究已被发表在科学杂志上,第一作者为Kosmas Tsakmakidis。Kosmas Tsakmakidis曾经在渥太华大学就读,目前在Hatice Altug领导的EPFL生物纳米光电系统实验室就读博士后。

这一突破对很多工程和物理领域都有重要影响。可能的应用近乎无限,包括电信行业、光学检测系统以及宽频能量收集等。

百年物理问题得到解决
credit: 煎蛋画师Chon

抛开相互作用

谐振和导波系统存在于大量光学和电子系统。它们的作用是以电磁波的形式临时存储能量然后释放。100多年以来,这类系统都为一个限制而阻碍:波能被存储的时间长度与其带宽成反比。这种关系可以理解为不可能在谐振或导波系统中长期存储大量数据,因为增加带宽意味着减少存储时间和存储质量。

这一定律首先由K. S. Johnson在西部电气公司于1914年公式化。他提出了Q因子这个概念,根据这个概念一个谐振器要么长期存储能量,要么具有宽频带,但无法同时兼得。增加存储时间意味着降低带宽,反之亦然。窄带宽意味着频率范围受限,因此传输的数据量也有限。

在此之前,这一概念从未受到挑战。物理学家和工程师们总是按照这个约束建立谐振系统,比如制造激光,制造电子线路和进行医疗诊断。

但这一限制已经是过去式了。研究者提出了一种由磁光材料组成的混合谐振/导波系统,当施加磁场时,就能停止波并将其长期保存,由此累积大量能量。然后当关闭磁场时,被捕获的脉冲就会得到释放。

有了这种不对称和非交互的系统,就有可能长期存储波并同时保持宽频带。传统的时间-带宽限制甚至被提高了1000倍。科学家进一步表明,理论上,在不对称(非交互)系统中,这一限制没有上限。

研究第一作者Tsakmakidis说道:“当我们发现这种新结构完全没有任何时间-带宽限制的时候,真是惊讶无比。这些系统不同于我们过去几十年中习惯的那种,或者可以说是几百年。” Hatice Altug补充道:“他们更加优越的波存储能力能被用于大量激动人心的应用中。”

医学,环境和电信

一个可能的应用是设计电信网络中极快速和高效的全光学缓存器。缓存器的作用是临时存储以光形式通过光纤到达的数据。减慢数据量,就能更好地处理数据。到目前为止,存储质量还是有限的。

利用该新技术,就有可能改进这一过程,更长时间地存储宽频带的数据。其他的可能应用包括片上光谱、宽频集光和能量存储以及宽频光学迷彩等。Tsakmakidis总结道:“这一突破是基础性的,我们给研究者们提供了一个新工具。只有想不到,没有用不上。”

论文原文:DOI: 10.1126/science.aam6662

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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已打赏蛋友(1): 科普文不容易
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TOTAL COMMENTS: 24+1

  1. 阿狸趴趴
    @5 months ago
    3503880

    我认得这里的每一个字……

    [72] XX [1] 回复 [0]
  2. 3503885

    the world? JOJO?

  3. coldster
    @5 months ago
    3503889

    意思以后是传输速度又快,数据质量又高

    [15] XX [1] 回复 [0]
  4. 3503897

    无线充电的未来?

  5. 3503913

    我能看懂每一个字

  6. 3503925

    感觉上是个重大发现

  7. 戊戌白羊
    @5 months ago
    3503951

    好····好厉害,如果我能看懂的话

  8. 3503966

    看不懂,这问题解决之后物价会降下来吗?

  9. hasMeal
    @5 months ago
    3503970

    我推出了除了论文所描述的InSb-Ag界面以外,用通用InP工艺构造非对称谐振的方法!!!

  10. 3503978

    明明是波导,怎么变成了导波?难道是我眼花?

  11. 强袭钢大木
    @5 months ago
    3503979

    总之就是网速能提高了????

  12. 幕后煮屎者
    @5 months ago
    3503997

    十多楼了没人能用我们能理解的语言复述一下文章说的啥吗?

  13. 3504010

    激微波大炮!

  14. 3504054

    然而…十三层楼没有找到自己想要的答案

  15. 3504098

    @幕后煮屎者:
    因为不容易。

    需要欣赏本文对应的论文背后的内涵的话,需要明白以下基础
    1)粒子传输
    2)QEM
    3)非线性及最优控制
    4)非线性光学
    半导体材料、粒子物理、控制论、光学专业完成基础研究生课程的人才能大概明白一部分外延。对于这些专业的人,也需要2-3000字去科普涉及其他专业的概念。
    至于毫米波、光集电设计师或者是通信专业的,则需要几万字去科普。其本科及研究生关于其余领域的教育也不足以让他们能够正确看明白论文。

    [19] XX [0] 回复 [0]
  16. 脑子坏掉了
    @5 months ago
    3504100

    @阿狸趴趴:
    但你不认得这里的很多词汇……我也是

  17. 3504102

    对于外行,也就是具备基本本科高数知识的人,以下可以概括此文。
    100年前Johnson发现的规律一个在振荡系统里损耗与带宽的限制关系,引入了品质因子Q的概念,这个限制关系可以用来描述目前世界上绝大多数的可以用二阶震荡的工程系统,譬如单摆和LC震荡网络。他们首先是发现了Johnson在推导中采用的假设并不具备普适性,并从理论上构造了假设不成立的条件,然后寻找材料的性质去实现这个假设否定,于是顺理成章的突破了这个限制。现在同样一个二阶系统,损耗可以很小很小,然而带宽却仍然很大。这可以使得受到物理带宽限制而不能使用的许多信号调制技巧可以顺利使用在以这种东西做成的收发机上。然而,其大规模工业化的可能极小,至少到我退休估计都看不到(我18),而且很可能不值得去那么做,我们可以以高阶谐振系统拓宽带宽,虽然付出性能、面积代价,但是目前已经技术很成熟。像是顶峰的青铜时代vs铁器时代的萌芽。

    这是一个跨学科的研究,煎蛋里能够明白其内涵而非外延的人本来就很少或近于1,我相信任何一个专业的人都会存在理解困难,哪怕你希望能够短时间通过搜索引擎掌握涉及到的知识,希望看到内涵,都是不可能的事情。这篇论文所有的作者里,我相信也只有Boyd知道全貌及其远景,而不是一作。

    当然,也可以用高中级别的数学描述,但是脱离了其精华太远了,明白的人不愿意去做科普。只有懂一点的人,才会尝试用那种语言去科普,然而给你们科普的那个人其实根本不懂….所以这种科普是没有意义的….

    [29] XX [3] 回复 [2]
  18. 3504104

    Tsakmakidis: Johnson,物理的定律是有极限的,我从短暂的人生当中学到一件事……越是玩弄物理,就越会发现物理的定律是有极限的……除非超越物理。

    Johnson:你到底想说什么?

    Tsakmakidis:我不做物理了, Johnson!

    [12] XX [0] 回复 [0]
  19. 3504112

    我就回复下试试

  20. 3504124

    @hasMeal:

    你百分之一百在介电常数张量分析上解错了。

    破除洛伦兹互易,旋电媒质是不能避免的。

  21. 3504263

    中国民协厨具节能环保专业委员会秘书长胡瑞志介绍,据统计,2010年中国规模以上的餐饮业单位超过400万家,加上2.5亿家庭厨房和50万家单位职工厨房,保守估算,中国厨房每天向大气排放超过4000亿立方米的油烟。如果是逢年过节,排放量会增加一倍。
    速腾环保秉承着天下环境,匹夫有责的理念,我们的油烟净化器均通过中环协环保认证,速腾油烟净化器采用低空排放,去油率高达95%以上,清新世界就由我们速腾守护!
    公司逼格slogan
    速腾环保,秉承着对自然美好生活的信仰。
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    速腾环保,守护清新世界,给您理想的生活。

    [1] XX [26] 回复 [0]
  22. 3504266

    湖南速腾环保工程有限公司是一家专业致力于优化空气品质的高科技环保公。公司集设计、开发、制造于一体,引进国外先进技术,积极司进行国产化生产,配合一流的设计与技术,以及各种精密仪器,秉承精密、完美、卓越的企业精神,与客户满意、员工如意、企业发展的 。

    主要产品:油烟净化器、静电油烟净化器、低空排放油烟净化器、无烟烧烤车、烟罩式一体机、油雾收集器、UV光解除味箱等。产品目测无烟,净化率高达百分之九十五以上。可根据客户的要求研制适合客户需要的产品,为客户提供全方位的环境污染治理服务http://www.hn-sthb.com/

    [1] XX [33] 回复 [0]
  23. dogisacat
    @5 months ago
    3504794

    @suteng: 售卖环保产品,最重要是让商家可以在环保产品中得到更多利益,而不是只推广环保理念。就像重复使用的餐具在环保和成本比一次性餐具好,这就是合格的环保产品宣传。
    所以你可以宣传2点,第一是国家越来越重视环保(故勿论真伪),所以用你的产品可以更符合国家政策,减低被整治的可能性。
    第2,可以保障员工的健康,减低被他们投诉的机会,也可挽留和吸引更多优质的员工,更可成为优质的雇主。
    记住,没有利益的理念是没有市场的。
    话说,我为什么要在在这里回覆一个和文章无关的推广文……

  24. 俱往矣
    @5 months ago
    3505383

    之前的理论认为,增加系统的信息量会导致存储的时间变短,而要把存储时间延长又会导致系统的带宽不够,也就是系统的总信息量一直上不去 (总信息量 = 带宽 × 存续时间)。现在发现通过增加一个磁场可以冻结系统,所以可以存储时间就不再是个问题了。通过这个办法,可以选择大的带宽来输入数据,然后施加一个磁场来保持。

    不知道理解的对不对…

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