科学家制造了一台激光器来隔空给手机充电:效果近乎100%

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科学家制造了一台激光器来隔空给手机充电:效果近乎100%

最近科学家借助一个所谓的“反激光器”设备,终于找到一种可以穿过任何房间完美发射能量的方法。

这个想法很简单:就像激光可以整齐有序地一个接一个发射光子一样,反激光器可以反向整齐有序地一个接一个吸收光子。长期以来,研究人员猜测,这样的设备或许可以让电线和充电线成为过去,允许人们用看不见的能量束隔空给笔记本或手机充电,或者使用笔记本时再也不需要接电源。

但是,尽管基础的反激光器早已经在实验室测试过,但现实世界可不像在实验室里用激光对准固定接收器那么简单、有序。比如:电子设备位置不固定,杂物会妨碍能量传输,墙壁会以意想不到的方式反射能量。但是,本实验中演示的最新反激光器可以解决上面所有这些问题,并且可以接收空间中无序分散的能量束——接收率甚至可高达99.996%。

研究人员使用的这种方式的正式术语叫做“相干完美吸收”(CPA)。相干完美吸收使用一台机器在房间内发送能量,然后用另一台机器(“反激光器”)吸收能量。

研究人员在11月17日发表于《自然通讯》上的论文中写道,过去的相干完美吸收实验令人欣喜,但仍有一个基本局限:时间方向。实验仅在一种情况下有效,即时间可以同样容易地前进或后退。然而在我们的日常生活中,这种情况很少存在。

一个最简单的反激光器设置模型,涉及使用一支激光笔一个接一个地向接收器发射光子。这个过程,如果录下来的话,无论是正着播放还是倒着播放,看起来都一样:光子从一个设备弹出,穿过空间,进入另一个设备。这样的设置,用物理术语来说,就是具有“时间反演对称性”。时间反演对称性仅出现在没有太多熵的系统中,或者说系统具有趋向于混乱的固有倾向。

到目前为止,即便是最复杂的相干完美吸收实验也具有时间反演对称性。有些实验比激光笔对准接收器更复杂。但如果有意为之的话,甚至连复杂的项目也可以具有时间反演对称性。

但是对于这项新的研究,研究人员使用磁场猛烈地撞击光子,从而破坏时间反演对称性。传递能量的过程——发射光子——仿佛搅拌一碗汤一样:使得逆向过程行不通(就好比你不能逆向搅拌一碗汤这个过程)。但是,“搅拌”之后,设备仍然可以接收到能量。

研究人员在论文中写道:这“证明了相干完美吸收的概念可以超越其最初的‘时间可逆激光器’这个构想”,暗示有朝一日这个概念可以在现实世界中得到实际应用。因为我们的现实世界不像时间可逆的实验室环境那么整齐。我们的现实世界混乱且难以预测,长期而言时间更不可逆。如果想让相干完美吸收在这样的环境中可行,我们必须要克服一些困难。

研究人员在两个实验设置中均使用了微波能量,从而实现了这种非时间可逆的相干完美吸收。首先是电线“迷宫”,光子必须通过这个迷宫才能达到接收器。其次是一个微型的不规则“黄铜腔”,中间有一个接收器,光子在分散之后,穿过腔体空间,最终达到接收器。

为了实现这一点,研究人员发射了具有不同特征的微波,然后测试了频率、振幅和相位(即电磁波的三个特征)的哪一种组合,最有可能落在接收器上并被吸收,哪怕是经过了磁场和迷宫或不规则开放空间的“试炼”。

他们对每种情况,都确定了可以使大多数微波被吸收的理想微波发射器“调谐”(在迷宫中接收率为99.999%,开放空间中为99.996%)。在实际应用中(比如客厅),发射器会测试及重新测试不同的频率、振幅和相位,以将光子传输给接收器。

这项技术有三个主要的潜在应用。研究人员写道,第一个应用是远距离无线能量传输。(未来,笔记本可能不再需要连接电源。)第二个是传感设备,即可以检测有光子散布的任何房间内的细微变化。(比如应用到监控摄像头上时,设备就可以感应到入侵者在房间内的移动。)

第三个应用是消息传送系统,即可以将信息安全地传输给隐藏的接收器;通过相干完美吸收发送的信号可以使用不断变化的调谐数据作为一组密码来加密数据。只有接收器或知道接收器确切行为的人,才能够解密该消息。

当然,这些现实世界的应用只是设想,未来遥遥无期。但研究人员还写道,这项实验至少可以证明,这些应用是可能的。

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