中美学者联手打破限制谐振器设计的“时间带宽极限”

 中美学者日前联合在著名期刊《科学》上发表了一篇论文，打破了限制谐振器设计的"时间带宽极限"，被国外媒体称为"解决了一个百年物理难题"。论文共同作者之一、浙江大学光电学院现代光学仪器国家重点实验室郑晓东研究员告诉记者，本研究将对新型器件和系统的发展起到深远作用。论文共同第一作者、南昌大学沈林放教授此前亦曾在浙大现代光学仪器国家重点实验室工作。

谐振器件与系统在现代社会的各行各业得到广泛应用，如激光谐振腔、各种波导等。离开谐振，计算机不再计算、手机不能刷屏、电视无法显示图像、收音机无法收音、手表无法定时……

长期以来，谐振系统的设计被认为受制于一个基本极限。科学家在1914年就发现，谐振腔要么储能时间较长，而带宽窄;要么带宽较大，但储能时间短。带宽表明数据的存储量。"时间带宽极限"意味着，在谐振腔内长时间存储大数据是不可能的，“长时间”和“大数据”鱼和熊掌不可兼得。

这种时间带宽极限规律提出之后的100多年来，从来没有被挑战过。物理学家和工程师一直据此来设计和构建光学、声学、电子谐振系统。从前沿的微纳/慢光波导、到原子/分子结构中的振动关系、所有类型的谐振腔、晶体振荡器等等被时间带宽极限所限制。

受时间-带宽限制的诸多光、电系统

而中美科学家本次研究打破了这一魔咒。郑晓东用一个粗略的比喻解释了科学家们的做法。谐振腔就像一间屋子，在门口的人通过荡秋千进入和离开屋子。谐振腔的时间带宽极限意味着这样一种奇怪的规定：如果大家荡秋千的速度一样，那么就以这同一速度荡进去，可以在屋子里待上比较长的一段时间，再统一荡出来;如果彼此速度不同，有快有慢，那就只能在屋子里待很短的时间，一进去就得荡出来。而科学家们提出的新方法，让人们并排以正常速度荡入屋内;而离开时就不再并排，而是以可控的速度依次按顺序向外回荡。也就是说，利用控制能量以不同速率进入和离开谐振腔的方法，或者说设计进、出时间非对称的谐振系统，成功打破了一百多年来限制谐振器设计的"时间带宽极限"。系统非对称的程度越高，超越"极限"的程度也越高。

接下来的问题是，如何能使进入和离开谐振系统的能量具有可以自由调节的速率，这是实现非对称系统设计的关键。论文中所使用的独家秘笈就是南昌大学和浙江大学合作研究的磁光材料混合谐振腔/波导系统利用这种系统，就可以游刃有余地自由控制反向传播电磁波的能量传播速率，在太赫兹波段，传统的时间—带宽限制已经可以提高上千倍。从理论上说，这种不对称系统中根本没有上限，带宽不再受制于能量的存储时间。

郑晓东认为，谐振系统时间带宽极限的突破，将会在物理和工程的众多领域产生深远影响，潜在应用前景十分广泛，包括通信、光探测、能量采集和信息存储等。例如，人们有可能实现真正的超连续谱直流激光，人类可以将很多现在的光源变成方向性的光源，甚至改变现在太阳能的储能模式等等。可以预料，在不远的将来，据此原理的大量新型器件和系统将应运而生。