Science：打破百年設計瓶頸 光存儲性能有望提高 40倍

2017 年 6 月 23 日，發表於 Science 上的一篇論文通過設計出進、出能流速率非對稱的諧振系統，打破了一百多年來限制諧振器設計的「時間帶寬極限」，這很可能將帶來一場器件革命。

科研圈記者 金庄維

從收音機、手錶到筆記本電腦，在我們的日常生活中，諧振系統無處不在。什麼是諧振？諧振是系統在某個或多個固有頻率，振動幅度達到最大的一種物理現象。比如，鞦韆在達到諧振頻率時，人只需要很小的力就能盪很高。再拿收音機舉例，當我們轉動收音機的旋鈕時，就是在改變收音機里選頻電路的諧振頻率。忽然，在某一點，電路的諧振頻率和空氣中不可見的電磁波的頻率相等，此時通過電路的信號幅度最大，把我們想聽的廣播信號從各種雜亂的電磁波中有效挑選出來。除電信號外，還有鐘錶中遊絲擺輪的機械諧振、樂器的聲波諧振、檢查病變的核磁共振等各種各樣的諧振。

圖片來源：http://www.hamradioschool.com/a-simple-view-of-resonance/

諧振系統的性能通常由品質因子Q 進行描述：品質因子高的系統中存儲的能量耗損慢，數據保真時間長。因此，器件設計往往致力於提高品質因子，但這也會帶來「副作用」：品質因子越高，諧振系統的帶寬越小。帶寬代表了系統中可以通過的頻率範圍，表徵了數據存儲的能力。根據這條規律，我們便不可能在諧振腔內長時間存儲大量數據，這就帶來了「時間-帶寬極限」。

過去一百年來，諧振系統的設計一直受限於此。不過，最近發表在 Science 上的一項研究成功地打破了這一極限。研究人員在理論上證明，對於非對稱系統（能量以不同速率進入、離開諧振腔），高品質因子和大帶寬可兼而得之！不僅如此，系統非對稱的程度越高，超越時間-帶寬極限的程度也越高。

這項研究由來自加拿大、中國、美國和瑞士等 6 所大學的 9 名科研人員合作完成。南昌大學空間研究院研究員沈林放博士為論文的共同一作，浙江大學鄭曉東及南昌大學鄧曉華教授為共同作者。研究中非對稱系統設計所使用的關鍵體系就是南昌大學和浙江大學合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導系統。（註：磁光材料是指具有磁光效應的功能材料，當材料置於磁場中時，其光學性質發生變化。）

為了深入了解這項研究，《環球科學》旗下「科研圈」 專訪了沈林放老師。

科 = 科研圈

沈 = 沈林放

科：為什麼諧振系統存在時間-帶寬極限？為何這一極限難以被打破？

沈：波諧振系統，通常意味著波被局域化，即波被限制在有限的空間區域內。在物理上，有一個普遍的規律，波一旦被局域化，光子（或粒子）的能量會出現量子效應，波的頻率是一系列離散的值，對應不同的諧振模式。這是諧振腔系統在理想條件（無損耗）下的現象，這時諧振模式的壽命時間是無限長，但諧振帶寬為零，即單頻振蕩。實際諧振腔系統往往是有損耗的，或由於內部材料的吸收損耗，或由於與外界的能量交換，這時諧振模式的壽命時間變得有限，相應存在一定的帶寬。諧振模式在時域和頻域上的行為，二者在數學上通過傅里葉變換相聯繫，可以從數學上嚴格地證明，其時間-帶寬之積等於 2π，因此時間-帶寬極限一直以來被認為是不可打破的。這種限制時間-帶寬積的規律提出之後的一百多年以來，從來沒有被挑戰過，物理學家和工程師一直據此來設計和構建光學、聲學、電子器件系統。

科：您能簡單介紹下磁光材料混合諧振腔/波導系統嗎？這個系統是如何打破時間-帶寬極限的？

沈：我們考慮的磁光材料混合諧振腔/波導系統，具有強烈的時間非對稱特徵，其中的波導支持光子單向邊緣態，因此系統的洛侖茲互易性被嚴重打破。波在系統中被深度亞波長局域化（其空間尺寸在百分之一波長左右），源於單向傳播的脈衝波的傳輸受阻和完全捕獲。光子單向邊緣態是 2008 年由普林斯頓大學的 Haldane（2016 年諾貝爾物理獎得主）提出的，他預言了磁光材料光子晶體的邊界可以存在這種模式。光子單向邊緣態是一種非互易的波導模式，它好比行駛在單向道路上的汽車，汽車在這條路上被禁止反向行駛。如果前方把道路封死，汽車就在那兒被完全捕獲。但我們研究的系統涉及的是光子單向邊緣態的另一種形式，即體塊半導體上的單向磁表面等離子激元。在我們的系統中，即使理想無損情形下，即時間壽命無限長，也可以把連續譜的脈衝波實現局域化，這時帶寬是非零和有限的。不管有損還是無損，這個系統的帶寬完全取決於光子單向邊緣態的帶寬，與系統的壽命時間無關。該系統中被約束的（深度）亞波長光斑，其表現完全不同於傳統諧振腔系統的模式化行為，可以說，這是被發現的一種新的波局域化現象。

科：在這個研究中，來自不同學校的科研人員分別承擔了哪些工作？

沈：這項工作可以說是不同特長研究人員坦誠合作的共同結晶。美加科學家在研究技術路線方面提出了很好的創意，中方人員給出了具體而且非常有說服力的解決方案，該解決方案得到審稿人的讚賞。數值模擬工作由南昌大學鄧曉華團隊和浙江大學研究人員在共同努力下完成。在理論完善，特別是論文寫作部分，國外著名科學家發揮了不可替代的關鍵作用。

科：打破時間-帶寬極限的諧振系統有哪些潛在的應用，會給我們的日常生活帶來怎樣的改變？實現和推廣時可能會遇到哪些困難？

沈：正如文章題目中提到的，時間帶寬極限存在於物理和工程的各個領域。其潛在的應用非常廣泛，有人說其應用的極限只局限於我們想像力。這裡僅舉幾個光學裡非常熱門的研究問題，比如，通過降低光速實現光存儲的方案一直以來深受時間帶寬極限的限制，而現在的路徑就可以使存儲時間和帶寬完全分離，在材料損耗允許範圍內，想存多長時間就可以存儲多長時間，完全不受時間帶寬極限限制。在超分辨成像領域，始終存在時間和空間解析度之間的矛盾；在隱身衣等設計過程中，也永遠存在隱身效果和可隱身波長範圍的矛盾。隱身效果好，可隱身的波長範圍就窄。文章所提出的方法也為這些問題的解決提供了可能的解決途徑。

圖片來源：Warner Bros/Paramount/Flikr/AP

現有方案證明了時間帶寬極限是可以打破的，但所使用的方法仍不容易實現和推廣，主要原因是目前光波段還缺乏磁光效應足夠強的材料，這也是我們把研究案例放在太赫茲波段的原因，但相信未來科學家會研製出光波段的強磁光新材料。

科：這個工作對於相關領域的科學研究及發展有何啟示？您的團隊接下來計劃在哪些方面進行更深入的研究？

沈：該研究結果給我們的啟示是，隨著科學和技術的發展，利用新的科學概念和手段，許多我們習以為常、長期以來一直被認為是金科玉律的傳統信條也許是可以打破的。而一旦打破這些極限的限制，就可以為相關領域的發展開拓出廣闊的發展空間，使相關領域的研究水平前進一大步。比如，用本文提出的方案進行光存儲，可以比現有最好慢光存儲方案的性能提高 40 倍。

接下來我們將在方案的具體器件開發和應用方面開展進一步研究，以便使我們在這方面的工作繼續保持領先地位。

論文基本信息

【標題】Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineerin

【作者】K. L. Tsakmakidis, L. Shen, S. A. Schulz, X. Zheng, J. Upham, X. Deng, H. Altug, A. F. Vakakis, R. W. Boyd

【期刊】Science

【日期】2017.6.23

【DOI】10.1126/science.aam6662

【摘要】A century-old tenet in physics and engineering asserts that any type of system, having bandwidth Δω, can interact with a wave over only a constrained time period Δt inversely proportional to the bandwidth (Δt·Δω ~ 2π). This law severely limits the generic capabilities of all types of resonant and wave-guiding systems in photonics, cavity quantum electrodynamics and optomechanics, acoustics, continuum mechanics, and atomic and optical physics but is thought to be completely fundamental, arising from basic Fourier reciprocity. We propose that this 「fundamental」 limit can be overcome in systems where Lorentz reciprocity is broken. As a system becomes more asymmetric in its transport properties, the degree to which the limit can be surpassed becomes greater. By way of example, we theoretically demonstrate how, in an astutely designed magnetized semiconductor heterostructure, the above limit can be exceeded by orders of magnitude by using realistic material parameters. Our findings revise prevailing paradigms for linear, time-invariant resonant systems, challenging the doctrine that high-quality resonances must invariably be narrowband and providing the possibility of developing devices with unprecedentedly high time-bandwidth performance.

【鏈接】http://science.sciencemag.org/content/356/6344/1260

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