百年物理問題被解決，科學家突破存儲時間與帶寬之間的限制

01-28

諧振腔和波導系統在光學和電子領域被廣泛使用，它們的作用是將能量以電磁波的形式短暫存儲，然後再進行釋放。

但是 100 多年以來，這些系統都受到了一個基本的限制：電磁波存儲時間與帶寬成反比；換句話說，就是存儲的量越大（電磁波的帶寬越寬），可以存儲的時間就越短，反之亦然。

洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究者們卻對這項基本的規律進行了挑戰。他們利用外加磁場，建立了一種非對稱的諧振腔或波導系統，這種系統可存儲遠多於預期的電磁波。

該研究成果發表在了近期的《Science》雜誌上，這項發現將在包括通信、光探測、能量採集和信息存儲等領域產生顛覆性影響。

關於「存儲時間——帶寬」的這一規律是由K. S. Johnson於1914年在西部電氣公司（貝爾實驗室前身）時推導出的。

Johnson引入了Q因子的概念，用於表徵諧振器系統長時間的存儲能量或是存儲大量數據的能力，但兩個目標時無法同時實現的。當Q因子數值高的時候，存儲時間增長，存儲數據量降低；Q因子數值低的時候，情況相反。存儲數據量低表明所存儲的電磁波帶寬窄，頻譜寬度窄（或者說電磁波的頻率較為單一）。

在此之前，這項規律從未被挑戰過。物理學家和技術人員在建立和使用諧振系統的時候，無論是使用激光或是進行醫學診斷，現實都遵從這一規律的限制。

如今，這項規律的限制已經成為了過去。研究者們提出了一種基於磁光材料的混合諧振和波導系統。當施加磁場時，將會阻滯電磁波的傳播並進行較長的時間存儲，因此可以積聚大量的能量。然後，當磁場關閉的時候，將會釋放這些電磁波。

圖丨受「存儲時間——帶寬」限制的諸多光、電系統

採用這樣一種非對稱、非對易的系統，可以同時實現長存儲時間和大存儲數據量這兩個目標。傳統的「存儲時間——帶寬」關係被打破，相同條件下的帶寬上限被提升了將近1000倍。研究人員進一步表示，理論上這種非對稱系統不存在上限。

這一發表在《Science》雜誌上的研究，是由 Kosmas Tsakmakid 領導的，他畢業於 Ottawa 大學，目前在 EPFL 的生物光子學系統實驗室做博士後（實驗室負責人是 Hatice Altug）。

「這種系統與之前幾十年來，甚至幾百年來我們所熟知的諧振系統都不同。」Tsakmakidis 表示，「這種超強的電磁波存儲容量將會在現在的一些領域，以及一些更加傳統的領域產生令人興奮的改變。」

這項成果的一個可能應用是構建超快、高效的全光緩存。全光緩存廣泛應用於通訊領域，其作用是短暫的存儲來自光纖的數據，方便後續數據處理和運算。但目前光緩存的存儲能力較為有限。使用這種新技術之後，可以改善整個流程，並可以長時間的存儲大量的數據。

「這個突破完全是革命性的，我們賦予了研究者新的工具，由此產生的應用變革超乎我們的想像」，Tsakmakidis總結說。