​物理学家们制造了一种“反激光”装置,可以在房间的另一头给手机充电

   化学小能手        


科学家们已经找到了一种可以完美地将能量传输到任何房间的方法,这要归功于一种类似科幻小说的设备,他们称之为“反激光”。



想法很简单:就像激光发射一个接一个整齐有序的光粒子或光子一样,反激光以相反的顺序吸收光子。长期以来,研究人员一直在猜测,这样的设备可能会使电线和充电线成为过去,使人们能在不可见的情况下穿过房间将能量传输到笔记本电脑或手机上,无需充电就能给它充电。但是,尽管基本的反激光之前已经测试过了,现实世界并不像实验室里的激光指向固定接收器那样整齐有序。电子设备四处移动,物体碍事,墙壁以意想不到的方式反射能量。这个实验中展示的新型反激光器解释了这一切,它接收到以不可预测的模式在空间周围发射的散射能量——仍然接收到发射能量的99.996%。


他们使用的方法的正式术语是“连贯完全吸收”(CPA)。CPA使用一台机器将能量传送到整个房间,另一台机器(“反激光”)将能量吸回去。研究人员在11月17日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一篇论文中写道,CPA过去的实验令人兴奋,但有一个基本的限制:时间的方向。这些实验只适用于时间倒流和向前流动一样容易的情况,而这种情况在我们的日常生活中很少存在。


反激光器设置的简单模型,包括一个激光指针向接收器,一个接一个光子吞噬起来,看起来基本上是一样的你是否发挥了磁带的行动向前或向后:光子在一个设备的地方蹦出来,穿越空间,进入其他设备。像这样的设置,在物理学术语中,被称为具有“时间倒转对称性”。时间反转对称性只出现在熵不太大的系统中,或者系统本身有趋于无序的倾向。


到目前为止,即使是最复杂的CPA实验也具有时间反对称性。有些甚至比瞄准接收器的激光笔还要复杂。但即使是复杂的项目也有这种对称性,如果它们的设计过程可以逆转的话。


(这里有一个例子,说明一个复杂的事件如何可以是时间倒转对称的:想象一段录像,一个业余爱好者从一个组织整齐的案例中捡起乐高积木,并用它们建造一个埃菲尔铁塔的模型。结果看起来会很复杂,但磁带会记录下每一个部件的位置,所以回放磁带只会让业余爱好者把部件拆开并重新组织起来。)


但在这项新工作中,研究人员使用磁场猛烈地撞击光子,以至于时间倒转对称性丧失了。传输能量——发射光子——的过程就像搅拌汤:它不能反向工作。(想象一下,试着不搅动汤。)但是这个装置仍然接收到能量。


研究人员在他们的论文中写道,这“证明CPA的概念远远超出了最初的‘时间反向激光器’的概念”,并暗示有一天它可能会在现实世界中得到实际应用。这是因为现实世界不像时间可逆的实验室实验那样整洁。它是混乱的、不可预测的,而且从长期来看,时间永远不会逆转。CPA要想在这些具有挑战性的条件下工作,就必须有能力应对。


研究人员在两个使用微波能量的实验设置中实现了这种非时间反向CPA。首先是一个“迷宫”般的电线,光子必须通过它才能到达接收器。第二个是一个小的、不规则的“黄铜腔”,中间有一个接收器,光子在散射并穿过腔内的开放空间后到达这个接收器。


为了把这事办成,研究者发射微波的不同属性,和测试组合的频率、振幅和阶段(电磁波)的三个特征是最有可能在接收器和吸收——即使通过磁场和迷宫或不规则的开放空间。在每种情况下,他们都确定了一种理想的微波发射器“调谐”,这种调谐能使大多数微波被吸收(迷宫中的99.999%,开放空间中的99.996%)。在实际应用中(比如你的客厅),发射器会反复测试不同的频率、振幅和相位,从而将光子传输到接收器。


这项技术有三个主要的潜在应用。首先是远距离的无线能量传输,研究人员写道。(跟你的笔记本电脑说再见了。)另一种是传感装置,它可以探测光子散射的任何房间的细微变化。(想象一下,一个安全摄像头可以感觉到闯入者正在房间里走动。)


第三种是一种信息传递系统,可以安全地将信息传递给隐藏的接收者;通过CPA发送的信号可以使用不断变化的调优数作为一种密码来加密数据。只有接收方或知道接收方每时每刻确切行为的人才能解密信息。


研究人员写道,要想在现实生活中实现这种用途,还有很长的路要走。但这次实验表明,至少这是可能的。


最初发表在《生活科学》上。

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