打破百年设计瓶颈，光存储性能有望提高40倍

　　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。

　　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。