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科學(xué)家制造“反激光器”來給手機隔空充電

中科院半導(dǎo)體所 ? 來源:新浪探索 ? 作者:新浪探索 ? 2020-12-04 15:35 ? 次閱讀
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最近科學(xué)家借助一個所謂的“反激光器”設(shè)備,終于找到一種可以穿過任何房間完美發(fā)射能量的方法。

這個想法很簡單:就像激光可以整齊有序地一個接一個發(fā)射光子一樣,反激光器可以反向整齊有序地一個接一個吸收光子。長期以來,研究人員猜測,這樣的設(shè)備或許可以讓電線和充電線成為過去,允許人們用看不見的能量束隔空給筆記本或手機充電,或者使用筆記本時再也不需要接電源。

但是,盡管基礎(chǔ)的反激光器早已經(jīng)在實驗室測試過,但現(xiàn)實世界可不像在實驗室里用激光對準(zhǔn)固定接收器那么簡單、有序。比如:電子設(shè)備位置不固定,雜物會妨礙能量傳輸,墻壁會以意想不到的方式反射能量。但是,本實驗中演示的最新反激光器可以解決上面所有這些問題,并且可以接收空間中無序分散的能量束——接收率甚至可高達99.996%。

研究人員使用的這種方式的正式術(shù)語叫做“相干完美吸收”(CPA)。相干完美吸收使用一臺機器在房間內(nèi)發(fā)送能量,然后用另一臺機器(“反激光器”)吸收能量。研究人員在11月17日發(fā)表于《自然通訊》上的論文中寫道,過去的相干完美吸收實驗令人欣喜,但仍有一個基本局限:時間方向。實驗僅在一種情況下有效,即時間可以同樣容易地前進或后退。然而在我們的日常生活中,這種情況很少存在。

一個最簡單的反激光器設(shè)置模型,涉及使用一支激光筆一個接一個地向接收器發(fā)射光子。這個過程,如果錄下來的話,無論是正著播放還是倒著播放,看起來都一樣:光子從一個設(shè)備彈出,穿過空間,進入另一個設(shè)備。這樣的設(shè)置,用物理術(shù)語來說,就是具有“時間反演對稱性”。時間反演對稱性僅出現(xiàn)在沒有太多熵的系統(tǒng)中,或者說系統(tǒng)具有趨向于混亂的固有傾向。

到目前為止,即便是最復(fù)雜的相干完美吸收實驗也具有時間反演對稱性。有些實驗比激光筆對準(zhǔn)接收器更復(fù)雜。但如果有意為之的話,甚至連復(fù)雜的項目也可以具有時間反演對稱性。

(一個復(fù)雜事件可具備時間反演對稱性的例子如下:想象有一盤錄像帶,其中一個業(yè)余愛好者從整齊的箱子里拿起樂高積木,堆了一個埃菲爾鐵塔模型。結(jié)果看起來有點復(fù)雜,但錄像可以記錄下每一塊積木的去向。如果倒著播放錄像的話,你可以看到這個業(yè)余愛好者將積木從模型上拿下來,然后重新整理好。)

但是對于這項新的研究,研究人員使用磁場猛烈地撞擊光子,從而破壞時間反演對稱性。傳遞能量的過程——發(fā)射光子——仿佛攪拌一碗湯一樣:使得逆向過程行不通(就好比你不能逆向攪拌一碗湯這個過程)。但是,“攪拌”之后,設(shè)備仍然可以接收到能量。

研究人員在論文中寫道:這“證明了相干完美吸收的概念可以超越其最初的‘時間可逆激光器’這個構(gòu)想”,暗示有朝一日這個概念可以在現(xiàn)實世界中得到實際應(yīng)用。因為我們的現(xiàn)實世界不像時間可逆的實驗室環(huán)境那么整齊。我們的現(xiàn)實世界混亂且難以預(yù)測,長期而言時間更不可逆。如果想讓相干完美吸收在這樣的環(huán)境中可行,我們必須要克服一些困難。

研究人員在兩個實驗設(shè)置中均使用了微波能量,從而實現(xiàn)了這種非時間可逆的相干完美吸收。首先是電線“迷宮”,光子必須通過這個迷宮才能達到接收器。其次是一個微型的不規(guī)則“黃銅腔”,中間有一個接收器,光子在分散之后,穿過腔體空間,最終達到接收器。

為了實現(xiàn)這一點,研究人員發(fā)射了具有不同特征的微波,然后測試了頻率、振幅和相位(即電磁波的三個特征)的哪一種組合,最有可能落在接收器上并被吸收,哪怕是經(jīng)過了磁場和迷宮或不規(guī)則開放空間的“試煉”。他們對每種情況,都確定了可以使大多數(shù)微波被吸收的理想微波發(fā)射器“調(diào)諧”(在迷宮中接收率為99.999%,開放空間中為99.996%)。在實際應(yīng)用中(比如客廳),發(fā)射器會測試及重新測試不同的頻率、振幅和相位,以將光子傳輸給接收器。

這項技術(shù)有三個主要的潛在應(yīng)用。研究人員寫道,第一個應(yīng)用是遠距離無線能量傳輸。(未來,筆記本可能不再需要連接電源。)第二個是傳感設(shè)備,即可以檢測有光子散布的任何房間內(nèi)的細微變化。(比如應(yīng)用到監(jiān)控攝像頭上時,設(shè)備就可以感應(yīng)到入侵者在房間內(nèi)的移動。)

第三個應(yīng)用是消息傳送系統(tǒng),即可以將信息安全地傳輸給隱藏的接收器;通過相干完美吸收發(fā)送的信號可以使用不斷變化的調(diào)諧數(shù)據(jù)作為一組密碼來加密數(shù)據(jù)。只有接收器或知道接收器確切行為的人,才能夠解密該消息。

當(dāng)然,這些現(xiàn)實世界的應(yīng)用只是設(shè)想,未來遙遙無期。但研究人員還寫道,這項實驗至少可以證明,這些應(yīng)用是可能的。

原文標(biāo)題:科學(xué)家制造了一臺“反激光器”,來隔空給手機充電

文章出處:【微信公眾號:中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯:haq

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