《科学》重磅！复频率激励突破波物理学传统限制

对光和其他形式的波现象的操控是支撑我们现代世界的众多技术的核心。传统上，我们控制这些波的能力很大程度上取决于它们相互作用的材料的固有属性。无论是透镜的折射率、滤光片的吸收光谱，还是天线的谐振频率，材料特性都为我们所能实现的目标设定了基本限制。

然而，光子学和波动物理学领域正在出现一个突破性的范式转变：复频率激励的概念。正如最近发表在《科学》杂志上的一项研究强调的那样，这种新颖的方法通过专注于定制激励信号本身，而不是仅仅依赖材料的修改，提供了一种从根本上新的波控制策略。通过使用在复频率上振荡的信号，研究人员正在解锁对波-物质相互作用的前所未有的控制，为各个技术领域的革命性进步铺平道路，并加深我们对波现象的基本理解。

要理解复频率激励的重要性，首先必须理解复频率本身的性质。在物理学和工程学领域，频率通常与波或系统的振荡速率相关联。这些频率通常用实数表示。然而，当我们进入复数的领域时，频率可以同时具有实部和虚部。实部保留了其传统的含义，表示波的振荡性质。另一方面，虚部引入了振荡幅度随时间呈指数增长或衰减的概念。正虚部表示幅度呈指数增长，类似于经历增益的系统，而负虚部则对应于幅度呈指数衰减，类似于经历损耗的系统。

传统的波控制方法一直与材料特性的操纵紧密相连。例如，为了实现特定的光学功能，研究人员通常会求助于工程设计具有定制折射率的材料，例如超材料，或者采用需要外部能量输入以提供增益或损耗的有源元件。虽然这些方法取得了显著的进展，但它们通常存在固有的局限性。奇异材料的制造可能具有挑战性且成本高昂，而有源元件则可能引入复杂性、不稳定性和能源效率低下等问题。

复频率激励为这些以材料为中心的方法提供了一种优雅的替代方案。其核心思想是设计一个激励信号，其幅度随时间呈指数增长或衰减，从而有效地将增益或损耗的特性直接编码到激励的时域波形中。当这样的信号与物理系统相互作用时，它可以以模仿特定分布的材料增益或损耗存在的方式选择性地激发系统的固有谐振和反谐振。这使得研究人员能够实现奇异的波响应，例如完美吸收、超分辨率成像，甚至超越传统系统的基本无源性限制，而无需物理改变材料特性或以传统方式引入有源元件。

这种范式转变的潜在应用是广泛且具有变革性的。以完美吸收领域为例。传统上，实现对入射波的完全吸收需要精心设计的具有特定阻抗匹配特性的材料。复频率激励提供了一种通过定制激励信号以精确匹配系统的响应，从而有效地捕获所有入射能量，在传统材料中实现完美吸收的方法。这可能会彻底改变噪声消除、隐身技术和能量收集等领域。

另一个令人兴奋的前景在于超分辨率成像领域。传统光学显微镜受到光衍射的限制，这限制了可以实现的分辨率。复频率激励可能通过选择性地激发物体的高空间频率分量，有效地绕过衍射屏障并能够可视化小于光波长的特征，从而克服这一限制。这可能对医学诊断、材料科学和基础生物学研究产生深远的影响。

此外，复频率激励还提供了超越波-物质相互作用中无源性限制的有趣可能性。物理系统中的无源性意味着系统输出的能量不能超过其接收的能量。然而，通过使用具有增长幅度的激励，可以以受控的方式临时存储然后释放能量，从而有效地将输出放大到超过输入。这为信号放大、无线电力传输，甚至量子态的操控等领域开辟了新的功能。

像安德烈亚·阿卢及其团队这样的研究人员的开创性工作在展示复频率激励的潜力方面发挥了重要作用。他们的初步探索已经展示了使用这种创新方法实现可控和增强的能量存储、超分辨率成像以及超越无源性限制的波操控。这些早期的成功为波物理学的新前沿奠定了基础，激励着各个学科的研究人员探索这项技术的巨大潜力。

尽管取得了显著的进展，但在充分实现复频率激励的潜力方面仍然存在挑战。主要障碍之一是将这项技术扩展到更高的频率，尤其是在光学领域。在太赫兹或可见光频率下生成和精确控制具有复频率的激励信号提出了重大的技术挑战。未来的研究工作可能会侧重于开发更有效和通用的方法来生成这些定制的波形，并将它们集成到现有的技术平台中。

此外，探索复频率激励与新兴平台（如超表面、极化激元材料、光力学系统和拓扑绝缘体）的相互作用也具有巨大的潜力。这些系统通常表现出强的光-物质相互作用、非线性特性和独特的拓扑特性，这些特性可以利用定制的复频率激励进一步加以利用和控制，从而产生更奇特和功能更强大的器件。