打破百年設計瓶頸，光存儲性能有望提高 40 倍

本刊記者 | 金庄維

2017年6月23日，發表於《科學》（Science）上的一篇論文通過設計非對稱的諧振系統（能量以不同速率進入、離開諧振腔），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。這項研究由加拿大、中國、美國、瑞士等多個國家的科研人員合作完成，包括南昌大學的沈林放、鄧曉華和浙江大學的鄭曉東。

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。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。

比如，鞦韆在達到諧振頻率時，人只需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。

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

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。

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」。沈林放說：「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。」

不過，這項新研究成功地打破了時間－帶寬極限。研究人員在理論上證明，對於非對稱系統，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。

那麼，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呢？沈林放說：「時間帶寬極限存在於物理和工程的各個領域，潛在的應用非常廣泛。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。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高40倍。」

不過，現有方案雖然證明了時間－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（磁光效應是指，處於磁化狀態的物質與光之間發生相互作用而引起的各種光學現象）。

「但未來，科學家應該會研製出這樣的材料，」沈林放補充道。

沈林放的團隊接下來將在方案的具體器件開發和應用方面開展進一步研究，以繼續保持領先地位。

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