百年物理問題得到解決

瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究者挑戰了一個基本定律，發現導波系統能存儲的電磁能比先前認為的更多。這一發現可用於通訊行業。針對該基本定律，研究者認為諧振和導波系統能夠長期存儲能量並同時保持寬頻帶。他們的技巧是利用磁場創造不對稱諧振或導波系統。

這一研究已被發表在科學雜誌上，第一作者為Kosmas Tsakmakidis。Kosmas Tsakmakidis曾經在渥太華大學就讀，目前在Hatice Altug領導的EPFL生物納米光電系統實驗室就讀博士後。

這一突破對很多工程和物理領域都有重要影響。可能的應用近乎無限，包括電信行業、光學檢測系統以及寬頻能量收集等。

credit: 煎蛋畫師Chon

拋開相互作用

諧振和導波系統存在於大量光學和電子系統。它們的作用是以電磁波的形式臨時存儲能量然後釋放。100多年以來，這類系統都為一個限制而阻礙：波能被存儲的時間長度與其帶寬成反比。這種關係可以理解為不可能在諧振或導波系統中長期存儲大量數據，因為增加帶寬意味著減少存儲時間和存儲質量。

這一定律首先由K. S. Johnson在西部電氣公司於1914年公式化。他提出了Q因子這個概念，根據這個概念一個諧振器要麼長期存儲能量，要麼具有寬頻帶，但無法同時兼得。增加存儲時間意味著降低帶寬，反之亦然。窄帶寬意味著頻率範圍受限，因此傳輸的數據量也有限。

在此之前，這一概念從未受到挑戰。物理學家和工程師們總是按照這個約束建立諧振系統，比如製造激光，製造電子線路和進行醫療診斷。

但這一限制已經是過去式了。研究者提出了一種由磁光材料組成的混合諧振/導波系統，當施加磁場時，就能停止波並將其長期保存，由此累積大量能量。然後當關閉磁場時，被捕獲的脈衝就會得到釋放。

有了這種不對稱和非交互的系統，就有可能長期存儲波並同時保持寬頻帶。傳統的時間-帶寬限制甚至被提高了1000倍。科學家進一步表明，理論上，在不對稱(非交互)系統中，這一限制沒有上限。

研究第一作者Tsakmakidis說道：「當我們發現這種新結構完全沒有任何時間-帶寬限制的時候，真是驚訝無比。這些系統不同於我們過去幾十年中習慣的那種，或者可以說是幾百年。」 Hatice Altug補充道：「他們更加優越的波存儲能力能被用於大量激動人心的應用中。」

醫學，環境和電信

一個可能的應用是設計電信網路中極快速和高效的全光學緩存器。緩存器的作用是臨時存儲以光形式通過光纖到達的數據。減慢數據量，就能更好地處理數據。到目前為止，存儲質量還是有限的。

利用該新技術，就有可能改進這一過程，更長時間地存儲寬頻帶的數據。其他的可能應用包括片上光譜、寬頻集光和能量存儲以及寬頻光學迷彩等。Tsakmakidis總結道：「這一突破是基礎性的，我們給研究者們提供了一個新工具。只有想不到，沒有用不上。」

論文原文：DOI: 10.1126/science.aam6662

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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