科学前沿 | 打破电磁传输互易定律的新方法

这个实现电磁波非互易性传输的新方法是光子学和微波技术发展中很重要的一步。英文原文链接^[1]

由阿尔托大学（Aalto University）领衔的研究小组通过在时间维度周期性地改变材料的性质，发现了一种新的、简单的打破电磁世界中的互易定律的方法^[2]。这一突破有助于高效地设计非互易性器件，如隔离器、循环器等，这些器件对于下一代的微波、光学通信系统是至关重要的。

当我们通过窗户看街上的邻居，邻居也可以通过窗户看见我们，这就叫做互易性，它是自然界中很基本的物理现象。两个源之间的电磁波传输总是受互易性定律支配着：如果信号源A发出的信号可以被源B接收，那么信号源B发出的信号同样可以被源A接收。

来自阿尔托大学（Aalto University）、斯坦福大学（Stanford University）、瑞士联邦理工学院（Swiss Federal institute of technology in Lausanne, EPFL）的研究人员已经成功证明如果传输介质的性质在时间上是周期变化的，那么互易性定律是可以被打破的。传输介质就是可见光或其它波段的电磁波从一处传播的另一处所经过的材料。该研究成果发表在2020年12月22日出版的Physical review letters学术期刊上。

研究小组理论上证明了，如何材料被设计成非对称的结构；同时，它的物理性质随时间变化，由源A产生的信号可以被源B接收，其他的路径则不行。这表现出很强的非互易性，因为源B产生的信号不能被源A接收。

“这对于物理以及工程领域都是一个里程碑式的成果。在很多应用中，我们只要光有单方向的透过性，比如稳定的激光操作和未来的通信系统（高信道容量的全双工系统）”阿尔托大学（Aalto University）的博士后研究人员Xuchen Wang说。

Fig.1 图片摘自文献 [2] .

其实，最主要的是该篇文章提出一个双各向异性时间调制系统的概念，它可以实现非互易性的波传输，而且是单纯地基于均匀地时间调制。没有时间调制，该双各向异性还是互易的。通过分析波在无界双各向异性时调制介质中的传播，从理论上解释了非互易效应。这种效应源于空间色散效应的时间调制，而迄今为止基于局域介电常数描述的研究还没有考虑到这一点。

之前，获得非互易性效应需要需要额外的偏置磁场，这使器件很笨重，温度稳定性差，很难兼容其他系统。这个新的发现提供一种简单、结构紧凑的方式去打破电磁传播的互易性，不再额外需要笨重的磁铁了。

该研究提供了一种简单的方式去实现信号的单向传输以及放大等，这对于未来的信息传输等领域有着很重要的地位。

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1. Aalto University. "Researchers develop new way to break reciprocity law." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 December 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201223125741.htm.](http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.266102) ↩

2. X. Wang, G. Ptitcyn, V. S. Asadchy, A. Díaz-Rubio, M. S. Mirmoosa, Shanhui Fan, S. A. Tretyakov. Nonreciprocity in Bianisotropic Systems with Uniform Time Modulation. Physical Review Letters, 2020; 125 (26) DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.266102 ↩