打破百年设计瓶颈，光存储性能有望提高 40 倍

本刊记者 | 金庄维

2017年6月23日，发表于《科学》（Science）上的一篇论文通过设计非对称的谐振系统（能量以不同速率进入、离开谐振腔），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。这项研究由加拿大、中国、美国、瑞士等多个国家的科研人员合作完成，包括南昌大学的沈林放、邓晓华和浙江大学的郑晓东。

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。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。

比如，秋千在达到谐振频率时，人只需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。

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

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。

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”。沈林放说：“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。”

不过，这项新研究成功地打破了时间－带宽极限。研究人员在理论上证明，对于非对称系统，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。

那么，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呢？沈林放说：“时间带宽极限存在于物理和工程的各个领域，潜在的应用非常广泛。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。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高40倍。”

不过，现有方案虽然证明了时间－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（磁光效应是指，处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象）。

“但未来，科学家应该会研制出这样的材料，”沈林放补充道。

沈林放的团队接下来将在方案的具体器件开发和应用方面开展进一步研究，以继续保持领先地位。

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