科學家製造了一台「反激光器」,來隔空給手機充電

北京時間11月25日消息,據國外媒體報道,最近科學家藉助一個所謂的「反激光器」設備,終於找到一種可以穿過任何房間完美發射能量的方法。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。

科學家製造了一台「反激光器」,來隔空給手機充電

圖中為特斯拉線圈產生的電弧。這是一項在開闊空間發射能量的早期實驗,但遺憾的是這個實驗無法有效地給手機充電。

長期以來,研究人員猜測,這樣的設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,盡管基礎的反激光器早已經在實驗室測試過,但現實世界可不像在實驗室里用激光對准固定接收器那麼簡單、有序。比如:電子設備位置不固定,雜物會妨礙能量傳輸,牆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,並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語叫做「相幹完美吸收」(CPA)。相幹完美吸收使用一台機器在房間內發送能量,然後用另一台機器(「反激光器」)吸收能量。研究人員在11月17日發表於《自然通訊》上的論文中寫道,過去的相幹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後退。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置模型,涉及使用一支激光筆一個接一個地向接收器發射光子。這個過程,如果錄下來的話,無論是正着播放還是倒着播放,看起來都一樣:光子從一個設備彈出,穿過空間,進入另一個設備。這樣的設置,用物理術語來說,就是具有「時間反演對稱性」。時間反演對稱性僅出現在沒有太多熵的系統中,或者說系統具有趨向於混亂的固有傾向。

到目前為止,即便是最復雜的相幹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准接收器更復雜。但如果有意為之的話,甚至連復雜的項目也可以具有時間反演對稱性。

(一個復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。結果看起來有點復雜,但錄像可以記錄下每一塊積木的去向。如果倒着播放錄像的話,你可以看到這個業余愛好者將積木從模型上拿下來,然後重新整理好。)

但是對於這項新的研究,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」之後,設備仍然可以接收到能量。

研究人員在論文中寫道:這「證明了相幹完美吸收的概念可以超越其最初的『時間可逆激光器』這個構想」,暗示有朝一日這個概念可以在現實世界中得到實際應用。因為我們的現實世界不像時間可逆的實驗室環境那麼整齊。我們的現實世界混亂且難以預測,長期而言時間更不可逆。如果想讓相幹完美吸收在這樣的環境中可行,我們必須要克服一些困難。

研究人員在兩個實驗設置中均使用了微波能量,從而實現了這種非時間可逆的相幹完美吸收。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則「黃銅腔」,中間有一個接收器,光子在分散之後,穿過腔體空間,最終達到接收器。

為了實現這一點,研究人員發射了具有不同特徵的微波,然後測試了頻率、振幅和相位(即電磁波的三個特徵)的哪一種組合,最有可能落在接收器上並被吸收,哪怕是經過了磁場和迷宮或不規則開放空間的「試煉」。他們對每種情況,都確定了可以使大多數微波被吸收的理想微波發射器「調諧」(在迷宮中接收率為99.999%,開放空間中為99.996%)。在實際應用中(比如客廳),發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。

這項技術有三個主要的潛在應用。研究人員寫道,第一個應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。)第二個是傳感設備,即可以檢測有光子散布的任何房間內的細微變化。(比如應用到監控攝像頭上時,設備就可以感應到入侵者在房間內的移動。)

第三個應用是消息傳送系統,即可以將信息安全地傳輸給隱藏的接收器;通過相幹完美吸收發送的信號可以使用不斷變化的調諧數據作為一組密碼來加密數據。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。

當然,這些現實世界的應用只是設想,未來遙遙無期。但研究人員還寫道,這項實驗至少可以證明,這些應用是可能的。

來源:cnBeta