研究主題與成果

群速度超光速現象，可以在電磁波、物質波、聲波等各類系統中被廣泛觀察到。在2009-2011年間，我們與張存續教授（國立清華大學物理系），率先在方形波導系統內，從時間的角度出發，觀察到微波訊號之群速度超過光速的行為。這類現象既可在電磁波穿隧過程中出現（利用中段波導較高的截止頻率來製造等效位能障礙），也可在法布立－培若干涉儀系統被觀察（利用中段波導不同的幾何形狀來製造強反射面）。這些工作都已發表在“Progress in Electromagnetics Research” （Prog. Electromagn. Res. 122, 1 (2012)　與　Prog. Electromagn. Res.101, 291 (2010)）。為了更了解其中的物理機制以提高電磁波群速度控制法的自由度與精準度，在2012年間，我們更與Herbert Winful教授（美國密西根大學電機系）合作；共同發現當電磁波在穿越一干涉儀時，其等效群速度具有強烈的頻率響應。此等效速度所對應的總穿越時間分別由電磁波在腔體內的滯留時間與穿透腔體邊界的延遲時間所組成。相關的詳細分析我們已發表於“Physical Review A” （Phys. Rev. A 86, 053832 (2012)）。 

在2013-2016年間，我們更進一步與Winful教授在一等效雙折射圓波導系統中，發現負群速度的可能性。這意味著電磁脈衝之主波包尚未進入系統前，“此主波包”已經遭散射出系統外（反射或穿透）。這個神奇現象的成因來自於雙折射系統中，兩個正交之極化通道所提供的額外能量儲存管道。在2016年，我們將這一部分的簡單理論分析與完整實驗量測結果發表於“IEEE Transection on Microwave theory and Techniques” （IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 64, 3121 (2016)）。

由於前述的理論模型大多都是從頻域的角度出發來分析，在2019-2020年間我們試圖從時域的角度來解釋正群速超光速的物理機制。藉由一系列簡單的分析，我們發現：當兩道訊號互相破壞性干涉時，由於合成訊號無法停留在兩母訊號重疊之位置，合成訊號會被等效加速排開；相反地，當兩道訊號互相建設性干涉時，合成訊號會被侷限於兩母訊號重疊之位置，引發等效上的減速效應，此兩現象的交互競爭，最後決定干涉儀中等效群速的大小。這份工作已在最近發表於“Chinese Journal of Physics” （Chin. J. Phys. 67, 657 (2020)）。在這個領域超過十年的耕耘後，我們相信這些對於電磁波等效群速度的控制機制研究可以更有效率的執行訊號處理，同時維持高訊號完整性並達到通訊元件微型化的目標。