Finansowana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (nr grantu 12225402, 62321004, 92250302) i inne granty, grupa badawcza prof. Renmina Ma z Instytutu Fizyki Materii Skondensowanej i Fizyki Materiałów, Wydział Fizyki, Uniwersytet Pekiński, zaproponowała teorię przełamania granicy dyfrakcji optycznej w układach dielektrycznych, przygotowała optyczną nano-jamę w skali atomowej i zrealizowała najmniejszy laser w objętości modowej do tej pory, a także wynalezienie osobliwego dielektrycznego nano-lasera przesuwa charakterystyczną skalę pola światła laserowego do poziomu atomowego. Wyniki badań zostały opublikowane 17 lipca 2024 r. (czasu pekińskiego) pod tytułem „Singular dielectric nano-laser with atomic-scale field localization”.
Od wprowadzenia laserów w 1960 r. lokalizacja pól optycznych w wymiarach częstotliwości, czasu, pędu lub przestrzeni w celu uzyskania laserów o wyższej wydajności była główną siłą napędową rozwoju fizyki laserowej i urządzeń, a nowe, wysokowydajne lasery, które w ten sposób powstały, w znacznym stopniu przyczyniły się do postępu współczesnej nauki i technologii. Na przykład, ekstremalna lokalizacja w wymiarze częstotliwości może uzyskać ultrastabilne lasery do precyzyjnej manipulacji i pomiaru, umożliwiając chłodzenie atomowe i wykrywanie fal grawitacyjnych (2001, 2017 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki); w wymiarze czasu, ekstremalna lokalizacja pola optycznego może uzyskać ultraszybkie lasery attosekundowe (2023 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki), które zapewniają możliwość obserwacji ultraszybkich ruchów cząstek w mikrokosmosie. Ekstremalna lokalizacja w wymiarze wektora falowego może uzyskać ultrakolimowane lasery, które można zastosować w dalekosiężnej międzygwiezdnej komunikacji optycznej o dużej prędkości; a w wymiarze przestrzennym, ekstremalnie zlokalizowane pole światła może uzyskać lasery w skali nano, co powinno otworzyć nowe możliwości dla nowej generacji technologii informatycznych i badania oddziaływań światła z materią w warunkach lokalizacji silnego pola światła.
Opierając się na równaniach Maxwella, grupa Ma Renmina zaproponowała teorię przełamującą granicę dyfrakcji optycznej w układach dielektrycznych i odkryła, że osobliwość pola elektrycznego na wierzchołku dielektrycznej nanoanteny motyla pochodzi z dyspersji pędu: w pobliżu wierzchołka moment pędu osobliwości jest liczbą rzeczywistą, a pęd radialny jest liczbą urojoną, a w pobliżu wierzchołka wartość bezwzględna dwóch pędów rozprasza się, ale całkowity pęd składający się z dwóch pędów pozostaje skończoną małą ilością pędu określoną przez stałą dielektryczną materiału określoną przez skończoną małą wartość. Mechanizm ten jest podobny do mechanizmu ograniczenia pola świetlnego w trybie wzbudzenia ekwipartycyjnego (w efekcie wzbudzenia ekwipartycyjnego jego urojony pęd poprzeczny powoduje wzrost rzeczywistego pędu podłużnego), ale bez strat omowych. Grupa łączy dielektryczną nanoantenę w kształcie motyla z nieskończoną osobliwością pola elektrycznego z zakrzywioną optyczną nanokawitacją, aby skonstruować osobliwą nanokawitację z objętością trybu, która przebija granicę dyfrakcji optycznej, i przygotowuje osobliwy dielektryczny nanolaser ze skalą cech na poziomie atomowym w półprzewodnikowym materiale wzmocnienia wielo-kwantowej studni za pomocą dwuetapowej metody trawienia-wzrostu. Systematyczna charakterystyka zależności mocy wejściowej-wyjściowej lasera, zmienności szerokości linii wzbudzenia z mocą wejściową, spójności drugiego rzędu i właściwości polaryzacji wyjściowej lasera potwierdza, że osobliwy dielektryczny nanolaser ma właściwość przebijania granicy dyfrakcji optycznej dla wzbudzenia. Nanolaser dielektryczny osobliwości ma próg wzbudzenia 26 kW cm{{10}}, współczynnik iloczynu wzbudzenia 13200, objętość modu 0,0005 λ3, a jego pole świetlne jest ekstremalnie ściśnięte w środku nanoanten, a szerokość połowy wysokości wynosi zaledwie około 1 nm.
Nanolasery dielektryczne osobliwości po raz pierwszy zrealizowały wzbudzenie laserowe w układzie dielektrycznym, który przekracza granicę dyfrakcji optycznej, zwiększając charakterystyczną skalę pola światła laserowego do poziomu atomowego, porównywalnego ze skalą osiąganą przez promienie rentgenowskie. Oczekuje się, że ten przełom zapewni nowe narzędzia do badań w naukach o materiałach i życiu. Tymczasem, w porównaniu z istniejącymi laserami, nanolaser dielektryczny osobliwości nie tylko zużywa mniej energii, ale także realizuje szybszą prędkość modulacji i silniejsze oddziaływania światło-materia, co ma wygenerować szeroki zakres zastosowań w dziedzinie technologii informacyjnej, wykrywania i detekcji.
