新方法打破互易定理为新一代通信系统铺路

　　当我们透过窗户看到街上的邻居时，邻居也能看到我们。这就称为“互易”（reciprocity），它是自然界中最普遍的物理现象之一。在两个信号源之间的电磁信号的传播总是受到互易定理的支配：如果信号源B可以接收到信号源A的信号，那么信号源A也能以相同的效率接收信号源B的信号。
　　无论是光波还是声波或者其他类型的波，都是以相同的方式向前和向后传播。如果我们可以让波仅沿着一个方向传播，打破互易性，那么就可以改变我们日常生活中许多重要的应用。例如，我们可以构造出新型“单向”元件，比如环行器和隔离器，从而实现双向通信，使无线通信系统的数据容量翻倍。
　　近日，芬兰阿尔托大学、美国斯坦福大学和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员组成的一支国际科研团队发现了一种简单的新方法，通过周期性地改变材料特性，来打破电磁世界中的互易定理。这项突破有助于创造高效的非互易器件，例如紧凑型隔离器和环行器，这是新一代微波和光通信系统所需的。
　　研究证明，如果传播介质的特性随时间周期性地变化，则互易定理就能被打破。传播介质指的是一种材料，光波和电磁波在这种材料中存留，并从一个点传播到另一个点。相关论文发表在《物理评论通讯》（Physical Review Letters）杂志上。技术团队通过理论证明，如果介质被塑造成不对称的结构，并且它的物理特性随时间产生全局性的变化，那么由信号源A产生的信号可以被信号源B接收到，而反过来则不行。这就创造出了一种强烈的非互易效应，因为来自信号源B的信号不能被信号源A接收到。阿尔托大学博士后研究员、论文第一作者王旭晨（Xuchen Wang）表示：“这是物理学界和工程界的一个重要里程碑。我们需要为各种各样的应用提供单向光传输，例如稳定激光操作或者设计未来的通信系统，比如通道容量增加的全双工系统。”之前，创造非互易效应需要外部磁体来进行偏置，这会使设备体积庞大、温度不稳定、有时与其他组件不兼容。这项新的发现提供了最简单、最紧凑的方式来打破电磁互易性，而无需笨重的磁铁。王旭晨表示，“这种‘唯时间’的变化使我们能够设计出简单且紧凑的材料平台，从而能够实现单向光传输甚至放大。” （航柯）