科學(xué)家制造“反激光器”來給手機(jī)隔空充電

最近科學(xué)家借助一個(gè)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(gè)想法很簡單：就像激光可以整齊有序地一個(gè)接一個(gè)發(fā)射光子一樣，反激光器可以反向整齊有序地一個(gè)接一個(gè)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(jī)充電，或者使用筆記本時(shí)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(shí)驗(yàn)室測試過，但現(xiàn)實(shí)世界可不像在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(jī)器在房間內(nèi)發(fā)送能量，然后用另一臺機(jī)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(shí)驗(yàn)令人欣喜，但仍有一個(gè)基本局限：時(shí)間方向。實(shí)驗(yàn)僅在一種情況下有效，即時(shí)間可以同樣容易地前進(jìn)或后退。然而在我們的日常生活中，這種情況很少存在。

一個(gè)最簡單的反激光器設(shè)置模型，涉及使用一支激光筆一個(gè)接一個(gè)地向接收器發(fā)射光子。這個(gè)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(gè)設(shè)備彈出，穿過空間，進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備。這樣的設(shè)置，用物理術(shù)語來說，就是具有“時(shí)間反演對稱性”。時(shí)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(shí)驗(yàn)也具有時(shí)間反演對稱性。有些實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目也可以具有時(shí)間反演對稱性。

（一個(gè)復(fù)雜事件可具備時(shí)間反演對稱性的例子如下：想象有一盤錄像帶，其中一個(gè)業(yè)余愛好者從整齊的箱子里拿起樂高積木，堆了一個(gè)埃菲爾鐵塔模型。結(jié)果看起來有點(diǎn)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(gè)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(xiàng)新的研究，研究人員使用磁場猛烈地撞擊光子，從而破壞時(shí)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(gè)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(shí)間可逆激光器’這個(gè)構(gòu)想”，暗示有朝一日這個(gè)概念可以在現(xiàn)實(shí)世界中得到實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)槲覀兊默F(xiàn)實(shí)世界不像時(shí)間可逆的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境那么整齊。我們的現(xiàn)實(shí)世界混亂且難以預(yù)測，長期而言時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置中均使用了微波能量，從而實(shí)現(xiàn)了這種非時(shí)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(gè)迷宮才能達(dá)到接收器。其次是一個(gè)微型的不規(guī)則“黃銅腔”，中間有一個(gè)接收器，光子在分散之后，穿過腔體空間，最終達(dá)到接收器。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(gè)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(shí)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(xiàng)技術(shù)有三個(gè)主要的潛在應(yīng)用。研究人員寫道，第一個(gè)應(yīng)用是遠(yuǎn)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(gè)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(xì)微變化。（比如應(yīng)用到監(jiān)控?cái)z像頭上時(shí)，設(shè)備就可以感應(yīng)到入侵者在房間內(nèi)的移動。）

第三個(gè)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(shí)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(jī)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