При финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (гранты № 12225402, 62321004, 92250302) и других грантов исследовательская группа профессора Жэньминь Ма в Институте физики конденсированных сред и физики материалов физического факультета Пекинского университета предложила теорию преодоления предела оптической дифракции в диэлектрических системах, подготовила оптический нанорезонатор атомного масштаба и реализовала самый маленький лазер в модовом объеме на сегодняшний день, а также изобретение сингулярного диэлектрического нанолазера, который смещает характерный масштаб поля лазерного света до атомного уровня. Результаты исследования были опубликованы 17 июля 2024 года (по пекинскому времени) под названием «Сингулярный диэлектрический нанолазер с локализацией поля атомного масштаба».
С момента появления лазеров в 1960 году локализация оптических полей в измерениях частоты, времени, импульса или пространства для достижения более высокопроизводительных лазеров стала основной движущей силой развития лазерной физики и устройств, а новые высокопроизводительные лазеры, созданные таким образом, также внесли большой вклад в прогресс современной науки и техники. Например, экстремальная локализация в частотном измерении может получить сверхстабильные лазеры для точной манипуляции и измерения, что делает возможным атомное охлаждение и обнаружение гравитационных волн (Нобелевская премия по физике 2001, 2017 гг.); во временном измерении экстремальная локализация оптического поля может получить сверхбыстрые аттосекундные лазеры (Нобелевская премия по физике 2023 г.), что обеспечивает возможность наблюдения сверхбыстрых движений частиц в микромире. Экстремальная локализация в измерении волнового вектора может получить сверхколлимированные лазеры, которые могут применяться для высокоскоростной оптической связи на большие расстояния в межзвездном пространстве; а в пространственном измерении экстремально локализованное световое поле может получить наномасштабные лазеры, что, как ожидается, откроет новые возможности для нового поколения информационных технологий и изучения взаимодействия света с веществом в условиях локализации сильного светового поля.
Группа Ма Жэньминя, основываясь на уравнениях Максвелла, предложила теорию, позволяющую преодолеть оптический дифракционный предел в диэлектрических системах, и обнаружила, что сингулярность электрического поля в вершине диэлектрической наноантенны-бабочки возникает из-за дисперсии импульса: вблизи вершины угловой момент сингулярности является действительным числом, а радиальный импульс является мнимым числом, а вблизи вершины абсолютное значение двух импульсов рассеивается, но общий импульс, состоящий из двух импульсов, остается конечным малым количеством импульса, определяемым диэлектрической проницаемостью материала, определяемой конечным малым значением. Этот механизм аналогичен механизму ограничения светового поля режима равнораспределенного возбуждения (в эффекте равнораспределенного возбуждения его мнимый поперечный импульс вызывает увеличение реального продольного импульса), но без омических потерь. Группа объединяет диэлектрическую наноантенну в форме бабочки с бесконечной сингулярностью электрического поля с поворотной оптической нанополостью для построения сингулярной нанополости с объемом моды, который прорывает предел оптической дифракции, и готовит сингулярный диэлектрический нанолазер с атомным масштабом характеристик в полупроводниковом материале с множественными квантовыми ямами усиления с помощью двухэтапного метода травления-роста. Систематическая характеристика соотношения входной и выходной мощности лазера, изменение ширины линии возбуждения с входной мощностью, когерентность второго порядка и свойства поляризации выходного лазера подтверждают, что сингулярный диэлектрический нанолазер обладает свойством прорыва через предел оптической дифракции для возбуждения. Сингулярный диэлектрический нанолазер имеет порог возбуждения 26 кВт см{{10}}, коэффициент продукта возбуждения 13200, объем моды 0,0005 λ3, а его световое поле чрезвычайно сжато в центре наноантенны с шириной на полувысоте всего около 1 нм.
Сингулярные диэлектрические нанолазеры впервые реализовали лазерное возбуждение в диэлектрической системе, которая нарушает предел оптической дифракции, продвигая характерный масштаб поля лазерного света до атомного уровня, сопоставимого с масштабом, достигаемым рентгеновскими лучами. Ожидается, что этот прорыв предоставит новые инструменты для исследований в области материаловедения и естественных наук. Между тем, по сравнению с существующими лазерами, сингулярный диэлектрический нанолазер не только потребляет меньше энергии, но и реализует более высокую скорость модуляции и более сильные взаимодействия света с веществом, что, как ожидается, создаст широкий спектр приложений в областях информационных технологий, зондирования и обнаружения.
