Finansiert av National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12225402, 62321004, 92250302) og andre stipender, foreslo Prof. Renmin Mas forskningsgruppe ved Institute of Condensed Matter Physics and Materials Physics, School of Physics, Peking University, en teori for å bryte grensen for optisk diffraksjon i dielektriske systemer, forberedt et optisk nano-hulrom i atomskala, og realisert den minste laseren i modusvolumet så langt, og oppfinnelsen av Oppfinnelsen av singulariteten dielektrisk nano-laser presser karakteristikken skala av laserlysfeltet ned til atomnivå. Forskningsresultatene ble publisert 17. juli 2024 (Beijing-tid) under tittelen "Singular dilectric nanolaser with atomic-scale field localization".
Siden introduksjonen av lasere i 1960, har lokaliseringen av optiske felt i dimensjonene frekvens, tid, momentum eller rom for å oppnå lasere med høyere ytelse vært den viktigste drivkraften for utviklingen av laserfysikk og -enheter, og den nye høyytelse lasere som er blitt dannet på denne måten, har også i stor grad bidratt til fremskritt for moderne vitenskap og teknologi. For eksempel kan ekstrem lokalisering i frekvensdimensjonen oppnå ultrastabile lasere for presisjonsmanipulering og måling, noe som gjør atomavkjøling og gravitasjonsbølgedeteksjon mulig (2001, 2017 Nobelprisen i fysikk); i tidsdimensjonen kan ekstrem lokalisering av det optiske feltet oppnå ultraraske attosekundlasere (2023 Nobelprisen i fysikk), som gir mulighet for å observere ultraraske bevegelser av partikler i mikrokosmos. Den ekstreme lokaliseringen i bølgevektordimensjonen kan oppnå ultrakollimerte lasere, som kan brukes på langdistanse interstellart rom med høyhastighets optisk kommunikasjon; og i den romlige dimensjonen kan det ekstreme lokaliserte lysfeltet oppnå lasere i nanoskala, noe som forventes å gi nye muligheter for den nye generasjonen av informasjonsteknologi og studiet av lys-materie-interaksjoner under lokaliseringen av det sterke lysfeltet.
Basert på Maxwells ligninger, foreslo Ma Renmins gruppe en teori for å bryte gjennom den optiske diffraksjonsgrensen i dielektriske systemer, og fant at det elektriske feltsingulariteten ved toppunktet til den dielektriske sommerfugl-nanoantennen stammer fra spredningen av momentum: nær toppunktet, vinkelen. momentum av singulariteten er et reelt tall, og det radielle momentumet er et imaginært tall, og nær toppunktet spres absoluttverdien til de to momentumene, men det totale momentumet som består av de to momentumene forblir en begrenset liten mengde momentum bestemt av material dielektrisk konstant bestemt av en begrenset liten verdi. Denne mekanismen ligner lysfeltbegrensningsmekanismen til ekvipartisjonert eksitasjonsmodus (i den ekvipartisjonerte eksitasjonseffekten fører dens imaginære tverrmomentum til at det virkelige lengdemomentet øker), men uten de ohmske tapene. Gruppen kombinerer en dielektrisk sommerfuglformet nanoantenne med et uendelig singularitet av elektrisk felt med en svingende optisk nanokavitet for å konstruere et singularitetsnanokavitet med et modusvolum som bryter gjennom den optiske diffraksjonsgrensen, og forbereder en singularitets dielektrisk nanolaser med en atomnivåfunksjon skala i halvledermateriale med multikvantebrønnforsterkning ved to-trinns metoden for etsing-vekst. Den systematiske karakteriseringen av laserinngang-utgangseffektforholdet, eksitasjonslinjebreddevariasjonen med inngangseffekt, andreordens koherens og laserutgangspolarisasjonsegenskapene bekrefter at den singularitets dielektriske nanolaseren har egenskapen til å bryte gjennom den optiske diffraksjonsgrensen for eksitasjon. Den singularitets dielektriske nanolaseren har en eksitasjonsterskel på 26 kW cm{{10}}, en eksitasjonsproduktfaktor på 13200, et modusvolum på 0,0005 λ3, og lysfeltet er ekstremt komprimert i midten av nanoantennen med en halvhøyde bredde på bare ca. 1 nm.
Singularitet dielektriske nano-lasere har for første gang realisert lasereksitasjon i et dielektrisk system som bryter den optiske diffraksjonsgrensen, og fremmer den karakteristiske skalaen til laserlysfeltet til atomnivå, sammenlignbar med skalaen oppnådd av røntgenstråler. Dette gjennombruddet forventes å gi nye verktøy for forskning innen material- og livsvitenskap. I mellomtiden, sammenlignet med eksisterende lasere, bruker den singularitets dielektriske nanolaseren ikke bare mindre energi, men realiserer også raskere modulasjonshastighet og sterkere lys-materie-interaksjoner, noe som forventes å generere et bredt spekter av applikasjoner innen informasjonsteknologi, sansing og deteksjon .
