@ 2017.07.10 , 11:00

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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