Science：打破百年设计瓶颈 光存储性能有望提高 40 倍 | 专访论文共同一作、南昌大学沈林放研究员

2017 年 6 月 23 日，发表于 Science 上的一篇论文通过设计出进、出能流速率非对称的谐振系统，打破了一百多年来限制谐振器设计的“时间带宽极限”，这很可能将带来一场器件革命。

科研圈记者  金庄维

从收音机、手表到笔记本电脑，在我们的日常生活中，谐振系统无处不在。什么是谐振？谐振是系统在某个或多个固有频率，振动幅度达到最大的一种物理现象。比如，秋千在达到谐振频率时，人只需要很小的力就能荡很高。再拿收音机举例，当我们转动收音机的旋钮时，就是在改变收音机里选频电路的谐振频率。忽然，在某一点，电路的谐振频率和空气中不可见的电磁波的频率相等，此时通过电路的信号幅度最大，把我们想听的广播信号从各种杂乱的电磁波中有效挑选出来。除电信号外，还有钟表中游丝摆轮的机械谐振、乐器的声波谐振、检查病变的核磁共振等各种各样的谐振。

图片来源：http://www.hamradioschool.com/a-simple-view-of-resonance/

谐振系统的性能通常由品质因子 Q 进行描述：品质因子高的系统中存储的能量耗损慢，数据保真时间长。因此，器件设计往往致力于提高品质因子，但这也会带来“副作用”：品质因子越高，谐振系统的带宽越小。带宽代表了系统中可以通过的频率范围，表征了数据存储的能力。根据这条规律，我们便不可能在谐振腔内长时间存储大量数据，这就带来了“时间-带宽极限”。

过去一百年来，谐振系统的设计一直受限于此。不过，最近发表在 Science 上的一项研究成功地打破了这一极限。研究人员在理论上证明，对于非对称系统（能量以不同速率进入、离开谐振腔），高品质因子和大带宽可兼而得之！不仅如此，系统非对称的程度越高，超越时间-带宽极限的程度也越高。

这项研究由来自加拿大、中国、美国和瑞士等 6 所大学的 9 名科研人员合作完成。南昌大学空间研究院研究员沈林放博士为论文的共同一作，浙江大学郑晓东及南昌大学邓晓华教授为共同作者。研究中非对称系统设计所使用的关键体系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。（注：磁光材料是指具有磁光效应的功能材料，当材料置于磁场中时，其光学性质发生变化。）

为了深入了解这项研究，《环球科学》旗下“科研圈” 专访了沈林放老师。

科 = 科研圈

沈 = 沈林放

科：为什么谐振系统存在时间-带宽极限？为何这一极限难以被打破？

沈：波谐振系统，通常意味着波被局域化，即波被限制在有限的空间区域内。在物理上，有一个普遍的规律，波一旦被局域化，光子（或粒子）的能量会出现量子效应，波的频率是一系列离散的值，对应不同的谐振模式。这是谐振腔系统在理想条件（无损耗）下的现象，这时谐振模式的寿命时间是无限长，但谐振带宽为零，即单频振荡。实际谐振腔系统往往是有损耗的，或由于内部材料的吸收损耗，或由于与外界的能量交换，这时谐振模式的寿命时间变得有限，相应存在一定的带宽。谐振模式在时域和频域上的行为，二者在数学上通过傅里叶变换相联系，可以从数学上严格地证明，其时间-带宽之积等于 2π，因此时间-带宽极限一直以来被认为是不可打破的。这种限制时间-带宽积的规律提出之后的一百多年以来，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、电子器件系统。

科：您能简单介绍下磁光材料混合谐振腔/波导系统吗？这个系统是如何打破时间-带宽极限的？

沈：我们考虑的磁光材料混合谐振腔/波导系统，具有强烈的时间非对称特征，其中的波导支持光子单向边缘态，因此系统的洛仑兹互易性被严重打破。波在系统中被深度亚波长局域化（其空间尺寸在百分之一波长左右），源于单向传播的脉冲波的传输受阻和完全捕获。光子单向边缘态是 2008 年由普林斯顿大学的 Haldane（2016 年诺贝尔物理奖得主）提出的，他预言了磁光材料光子晶体的边界可以存在这种模式。光子单向边缘态是一种非互易的波导模式，它好比行驶在单向道路上的汽车，汽车在这条路上被禁止反向行驶。如果前方把道路封死，汽车就在那儿被完全捕获。但我们研究的系统涉及的是光子单向边缘态的另一种形式，即体块半导体上的单向磁表面等离子激元。在我们的系统中，即使理想无损情形下，即时间寿命无限长，也可以把连续谱的脉冲波实现局域化，这时带宽是非零和有限的。不管有损还是无损，这个系统的带宽完全取决于光子单向边缘态的带宽，与系统的寿命时间无关。该系统中被约束的（深度）亚波长光斑，其表现完全不同于传统谐振腔系统的模式化行为，可以说，这是被发现的一种新的波局域化现象。

科：在这个研究中，来自不同学校的科研人员分别承担了哪些工作？

沈：这项工作可以说是不同特长研究人员坦诚合作的共同结晶。美加科学家在研究技术路线方面提出了很好的创意，中方人员给出了具体而且非常有说服力的解决方案，该解决方案得到审稿人的赞赏。数值模拟工作由南昌大学邓晓华团队和浙江大学研究人员在共同努力下完成。在理论完善，特别是论文写作部分，国外著名科学家发挥了不可替代的关键作用。

科：打破时间-带宽极限的谐振系统有哪些潜在的应用，会给我们的日常生活带来怎样的改变？实现和推广时可能会遇到哪些困难？

沈：正如文章题目中提到的，时间带宽极限存在于物理和工程的各个领域。其潜在的应用非常广泛，有人说其应用的极限只局限于我们想象力。这里仅举几个光学里非常热门的研究问题，比如，通过降低光速实现光存储的方案一直以来深受时间带宽极限的限制，而现在的路径就可以使存储时间和带宽完全分离，在材料损耗允许范围内，想存多长时间就可以存储多长时间，完全不受时间带宽极限限制。在超分辨成像领域，始终存在时间和空间分辨率之间的矛盾；在隐身衣等设计过程中，也永远存在隐身效果和可隐身波长范围的矛盾。隐身效果好，可隐身的波长范围就窄。文章所提出的方法也为这些问题的解决提供了可能的解决途径。

图片来源：Warner Bros/Paramount/Flikr/AP

现有方案证明了时间带宽极限是可以打破的，但所使用的方法仍不容易实现和推广，主要原因是目前光波段还缺乏磁光效应足够强的材料，这也是我们把研究案例放在太赫兹波段的原因，但相信未来科学家会研制出光波段的强磁光新材料。

科：这个工作对于相关领域的科学研究及发展有何启示？您的团队接下来计划在哪些方面进行更深入的研究？

沈：该研究结果给我们的启示是，随着科学和技术的发展，利用新的科学概念和手段，许多我们习以为常、长期以来一直被认为是金科玉律的传统信条也许是可以打破的。而一旦打破这些极限的限制，就可以为相关领域的发展开拓出广阔的发展空间，使相关领域的研究水平前进一大步。比如，用本文提出的方案进行光存储，可以比现有最好慢光存储方案的性能提高 40 倍。

接下来我们将在方案的具体器件开发和应用方面开展进一步研究，以便使我们在这方面的工作继续保持领先地位。

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论文基本信息

【标题】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.

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

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