Gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China (subsidienummers 12225402, 62321004, 92250302) en andere subsidies, stelde de onderzoeksgroep van Prof. Renmin Ma aan het Institute of Condensed Matter Physics and Materials Physics, School of Physics, Universiteit van Peking, een theorie voor om de limiet van optische diffractie in diëlektrische systemen te doorbreken, bereidde een optische nanoholte op atomaire schaal voor en realiseerde de kleinste laser in het modusvolume tot nu toe, en de uitvinding van de De uitvinding van de singulariteitsdiëlektrische nanolaser duwt de karakteristieke schaal van het laserlichtveld naar het atomaire niveau. De onderzoeksresultaten werden op 17 juli 2024 (Beijing-tijd) gepubliceerd onder de titel "Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization".
Sinds de introductie van lasers in 1960 is de lokalisatie van optische velden in de dimensies frequentie, tijd, momentum of ruimte om lasers met hogere prestaties te bereiken de belangrijkste drijvende kracht geweest voor de ontwikkeling van laserfysica en -apparaten, en de nieuwe lasers met hoge prestaties die zo zijn ontstaan, hebben ook enorm bijgedragen aan de vooruitgang van moderne wetenschap en technologie. Extreme lokalisatie in de frequentiedimensie kan bijvoorbeeld ultrastabiele lasers opleveren voor nauwkeurige manipulatie en meting, waardoor atomaire koeling en detectie van zwaartekrachtgolven mogelijk worden (Nobelprijs voor natuurkunde 2001, 2017); in de tijdsdimensie kan extreme lokalisatie van het optische veld ultrasnelle attosecondelasers opleveren (Nobelprijs voor natuurkunde 2023), wat de mogelijkheid biedt om ultrasnelle bewegingen van deeltjes in de microkosmos te observeren. De extreme lokalisatie in de wavevectordimensie kan ultragecollimeerde lasers verkrijgen, die kunnen worden toegepast op optische communicatie over lange afstanden in de interstellaire ruimte met hoge snelheid; en in de ruimtelijke dimensie kan het extreem gelokaliseerde lichtveld nanoschaallasers verkrijgen, wat naar verwachting nieuwe mogelijkheden zal bieden voor de nieuwe generatie informatietechnologie en de studie van licht-materie-interacties onder de lokalisatie van het sterke lichtveld.
Gebaseerd op de vergelijkingen van Maxwell stelde de groep van Ma Renmin een theorie voor om de optische diffractielimiet in diëlektrische systemen te doorbreken, en ontdekte dat de singulariteit van het elektrische veld bij de top van de diëlektrische vlinder nanoantenne afkomstig is van de spreiding van impuls: nabij de top is de hoekimpuls van de singulariteit een reëel getal, en de radiale impuls is een imaginair getal, en nabij de top verspreidt de absolute waarde van de twee impulsen zich, maar de totale impuls bestaande uit de twee impulsen blijft een eindige kleine hoeveelheid impuls bepaald door de materiële diëlektrische constante bepaald door een eindige kleine waarde. Dit mechanisme is vergelijkbaar met het lichtveldbeperkingsmechanisme van de equipartitioned excitatiemodus (in het equipartitioned excitatie-effect zorgt zijn imaginaire transversale impuls ervoor dat de reële longitudinale impuls toeneemt), maar zonder de ohmse verliezen. De groep combineert een diëlektrische vlindervormige nanoantenne met een oneindige singulariteit van elektrisch veld met een optische nanocaviteit om een singulariteitsnanocaviteit te construeren met een modusvolume dat de optische diffractielimiet doorbreekt, en bereidt een singulariteitsdiëlektrische nanolaser voor met een atomaire-niveau kenmerkschaal in halfgeleider multi-quantum-well gain materiaal door de tweestapsmethode van etsen-groei. De systematische karakterisering van de laser input-output vermogensrelatie, de variatie van de excitatielijnbreedte met input vermogen, de tweede-orde coherentie en de laser output polarisatie-eigenschappen bevestigen dat de singulariteitsdiëlektrische nanolaser de eigenschap heeft om de optische diffractielimiet voor excitatie te doorbreken. De singulariteitsdiëlektrische nanolaser heeft een excitatiedrempel van 26 kW cm{{10}}, een excitatieproductfactor van 13200, een modevolume van 0,0005 λ3 en zijn lichtveld is extreem gecomprimeerd in het midden van de nanoantenne met een halve hoogtebreedte van slechts ongeveer 1 nm.
Singularity diëlektrische nanolasers hebben voor het eerst laserexcitatie gerealiseerd in een diëlektrisch systeem dat de optische diffractielimiet doorbreekt, waardoor de karakteristieke schaal van het laserlichtveld wordt opgevoerd tot het atomaire niveau, vergelijkbaar met de schaal die wordt bereikt door röntgenstralen. Deze doorbraak zal naar verwachting nieuwe hulpmiddelen bieden voor onderzoek in materiaal- en levenswetenschappen. Ondertussen verbruikt de singularity diëlektrische nanolaser, vergeleken met bestaande lasers, niet alleen minder energie, maar realiseert ook een snellere modulatiesnelheid en sterkere licht-materie-interacties, wat naar verwachting een breed scala aan toepassingen zal genereren op het gebied van informatietechnologie, sensing en detectie.
