2017年6月23日，浙江大學(xué)光電學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭曉東研究員參與完成的研究成果“Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering”（打破洛倫茲互易性以克服物理和工程中的時(shí)間帶寬極限）在《Science》發(fā)表（DOI：10.1126/science.aam6662）。該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種波包進(jìn)出時(shí)間非對(duì)稱的諧振系統(tǒng)，成功打破了一百多年來(lái)限制諧振器設(shè)計(jì)的“時(shí)間帶寬極限”。系統(tǒng)非對(duì)稱的程度越高，超越“極限”的程度也越高。這一研究將對(duì)新型器件和系統(tǒng)的發(fā)展起到深遠(yuǎn)作用。著名科學(xué)新聞網(wǎng)站PHYS.ORG以“A 100-year-old physics problem has been solved”為題進(jìn)行報(bào)道，并引發(fā)大量關(guān)注與討論。

據(jù)介紹，原在浙江大學(xué)國(guó)家光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事研究工作的沈林放老師（現(xiàn)為南昌大學(xué)空間研究院研究員）為文章的共同第一作者，浙江大學(xué)鄭曉東及南昌大學(xué)鄧曉華教授為文章共同作者。整個(gè)團(tuán)隊(duì)由加拿大、中國(guó)、美國(guó)和瑞士等6所大學(xué)的9名科研人員所組成。研究中非對(duì)稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的關(guān)鍵體系就是南昌大學(xué)和浙江大學(xué)合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導(dǎo)系統(tǒng)。

以下是參與這項(xiàng)研究的鄭曉東老師為這一進(jìn)展所做的解讀：

什么是“時(shí)間帶寬極限”？

諧振是光、電、聲波、機(jī)械等相關(guān)領(lǐng)域的共有的現(xiàn)象，諧振器件與系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)的各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如，激光諧振腔，各種波導(dǎo)等。離開(kāi)諧振，計(jì)算機(jī)不再計(jì)算、手機(jī)不能刷屏、電視無(wú)法顯示圖像、收音機(jī)無(wú)法收音、手表無(wú)法定時(shí)，支撐社會(huì)運(yùn)行的各類物理和工程系統(tǒng)中都需要用到大量諧振器。長(zhǎng)期以來(lái)，諧振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被認(rèn)為受制于一個(gè)基本極限，即：諧振腔等儲(chǔ)存能量的時(shí)間反比于它的帶寬；或者說(shuō)，存儲(chǔ)能力的時(shí)間與系統(tǒng)帶寬的乘積是固定的，存在一個(gè)“時(shí)間帶寬極限”。

這個(gè)規(guī)律是由K. S. Johnson在1914年提出的：諧振腔要么儲(chǔ)能時(shí)間較長(zhǎng)，而帶寬窄；要么帶寬較大，但儲(chǔ)能時(shí)間短。在諧振腔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)是不可能的。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間意味著帶寬窄，反之亦然。這種時(shí)間帶寬極限規(guī)律提出之后的一百多年來(lái)，從來(lái)沒(méi)有被挑戰(zhàn)過(guò)。物理學(xué)家和工程師一直據(jù)此來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建光學(xué)、聲學(xué)、電子諧振系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。從前沿的微納/慢光波導(dǎo)、到原子/分子結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)關(guān)系、所有類型的諧振腔、晶體振蕩器等等被時(shí)間帶寬極限所限制。

圖1 受時(shí)間-帶寬限制的諸多光、電系統(tǒng)。

圖2 非對(duì)稱諧振腔/波導(dǎo)系統(tǒng)。

打破“魔咒”

現(xiàn)在，這個(gè)極限在理論上已成為過(guò)去。那么，這個(gè)魔咒是如何被打破的呢？論文所給出的解決途徑是打破“洛侖茲互易性”。洛侖茲互易定理是電磁場(chǎng)的基本定理。它所描述的是：“在線性和各向同性的媒質(zhì)中，如果互換源點(diǎn)和觀察點(diǎn)的位置而不改變?cè)戳浚瑒t在新觀察點(diǎn)的場(chǎng)就等于互換前在原觀察點(diǎn)的場(chǎng)?！庇靡粋€(gè)不太準(zhǔn)確，但大家都能懂的比喻：如果把諧振腔比喻為一間屋子，傳統(tǒng)諧振腔的能量振蕩就像是一排人在門(mén)口蕩秋千，從屋里向屋外和從屋外向屋里是一樣，有互易性。這種互易性的諧振腔，要么只允許蕩得快慢一樣的人進(jìn)出，可以在屋內(nèi)停留較長(zhǎng)時(shí)間；如果速度有快有慢，就只能停留很短時(shí)間。也就是物理和工程中的時(shí)間帶寬極限。怎么做到使大人、小孩，蕩速快和慢的人都能進(jìn)去，又能在屋里想停留多長(zhǎng)時(shí)間就停多長(zhǎng)時(shí)間呢？文章給出的方案是，讓人們并排以正常速度蕩入屋內(nèi)；而由內(nèi)向外時(shí)就不再并排，而是以可控的速度依次按順序向外回蕩。也就是說(shuō)，利用控制能量以不同速率進(jìn)入和離開(kāi)諧振腔的方法，或者說(shuō)設(shè)計(jì)進(jìn)、出時(shí)間非對(duì)稱的諧振系統(tǒng)，成功打破了一百多年來(lái)限制諧振器設(shè)計(jì)的“時(shí)間帶寬極限”。系統(tǒng)非對(duì)稱的程度越高，超越“極限”的程度也越高。

接下來(lái)的問(wèn)題是，如何能使進(jìn)入和離開(kāi)諧振系統(tǒng)的能量具有可以自由調(diào)節(jié)的速率，這是實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。論文中所使用的獨(dú)家秘笈就是南昌大學(xué)和浙江大學(xué)合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導(dǎo)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。利用這種系統(tǒng)，就可以游刃有余地自由控制反向傳播電磁波的能量傳播速率，在太赫茲波段，傳統(tǒng)的時(shí)間-帶寬限制已經(jīng)可以提高上千倍。從理論上說(shuō)，在這些（時(shí)間）不對(duì)稱系統(tǒng)中根本沒(méi)有上限，帶寬不再受制于能量的存儲(chǔ)時(shí)間。

可能的未來(lái)

諧振系統(tǒng)時(shí)間帶寬極限的突破，將會(huì)在物理和工程的眾多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，潛在應(yīng)用前景十分廣泛，包括通信、光探測(cè)、能量采集和信息存儲(chǔ)等等。例如，人們有可能實(shí)現(xiàn)真正的超連續(xù)譜直流激光，人類可以將很多現(xiàn)在的光源變成方向性的光源，甚至改變現(xiàn)在太陽(yáng)能的儲(chǔ)能模式等等。可以預(yù)料，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，據(jù)此原理的大量新型器件和系統(tǒng)將應(yīng)運(yùn)而生。

該團(tuán)隊(duì)成功打破了諧振系統(tǒng)“時(shí)間帶寬極限”這個(gè)一百多年來(lái)困擾設(shè)計(jì)人員的魔咒，為相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)拓了新的廣闊發(fā)展空間。

（汪曉勇 周煒）