Finansierad av National Natural Science Foundation of China (anslag nr 12225402, 62321004, 92250302) och andra anslag, föreslog Prof. Renmin Mas forskargrupp vid Institutet för kondenserad materiens fysik och materialfysik, School of Physics, Peking University, en teori att bryta gränsen för optisk diffraktion i dielektriska system, förbereda en optisk nanokavitet i atomskala, och förverkliga den minsta lasern i modvolymen hittills, och uppfinningen av Uppfinningen av singulariteten dielektrisk nano-laser driver karakteristiken skala av laserljusfältet ner till atomnivå. Forskningsresultaten publicerades den 17 juli 2024 (Peking-tid) under titeln "Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization".
Sedan introduktionen av lasrar 1960 har lokaliseringen av optiska fält i dimensionerna frekvens, tid, rörelsemängd eller rymd för att uppnå högre prestanda lasrar varit den centrala drivkraften för utvecklingen av laserfysik och anordningar, och den nya högpresterande lasrar som skapats på detta sätt har också i hög grad bidragit till utvecklingen av modern vetenskap och teknik. Till exempel kan extrem lokalisering i frekvensdimensionen erhålla ultrastabila lasrar för precisionsmanipulation och mätning, vilket gör atomkylning och gravitationsvågdetektering möjlig (2001, 2017 Nobelpris i fysik); i tidsdimensionen kan extrem lokalisering av det optiska fältet erhålla ultrasnabba attosekundslasrar (2023 Nobelpriset i fysik), vilket ger möjlighet att observera ultrasnabba rörelser av partiklar i mikrokosmos. Den extrema lokaliseringen i vågvektordimensionen kan erhålla ultrakollimerade lasrar, som kan appliceras på långdistansinterstellär rymd och optisk höghastighetskommunikation; och i den rumsliga dimensionen kan det extrema lokaliserade ljusfältet erhålla lasrar i nanoskala, vilket förväntas ge nya möjligheter för den nya generationen av informationsteknologi och studiet av ljus-materia-interaktioner under lokaliseringen av det starka ljusfältet.
Baserat på Maxwells ekvationer föreslog Ma Renmins grupp en teori för att bryta igenom den optiska diffraktionsgränsen i dielektriska system, och fann att det elektriska fältets singularitet vid spetsen av den dielektriska fjärilsnanoantennen härrör från spridningen av momentum: nära vertexet, vinkeln singularitetens momentum är ett reellt tal, och det radiella momentumet är ett imaginärt tal, och nära vertexet sprids det absoluta värdet av de två momentumen, men det totala momentumet som består av de två momentumen förblir en ändlig liten mängd momentum som bestäms av material dielektrisk konstant bestäms av ett ändligt litet värde. Denna mekanism liknar ljusfältsbegränsningsmekanismen för det ekvipartitionerade excitationsläget (i den ekvipartitionerade excitationseffekten får dess imaginära tvärgående momentum att det verkliga longitudinella momentumet ökar), men utan de ohmska förlusterna. Gruppen kombinerar en dielektrisk fjärilsformad nanoantenn med en oändlig singularitet av elektriskt fält med en kurvtagnings optisk nanokavitet för att konstruera en singularitetsnanokavitet med en modvolym som bryter igenom den optiska diffraktionsgränsen, och förbereder en singularitetsdielektrisk nanolaser med en atomnivåfunktion skala i halvledarmaterial med flera kvantbrunnar med tvåstegsmetoden etsning-tillväxt. Den systematiska karaktäriseringen av laseringångs-utgångseffektförhållandet, excitationslinjebreddsvariationen med ineffekt, andra ordningens koherens och laserutgångens polarisationsegenskaper bekräftar att den singularitetsdielektriska nanolasern har egenskapen att bryta igenom den optiska diffraktionsgränsen för excitation. Den singularitetsdielektriska nanolasern har en excitationströskel på 26 kW cm{{10}}, en excitationsproduktfaktor på 13200, en modvolym på 0,0005 λ3, och dess ljusfält är extremt komprimerat i mitten av nanoantennen med en halvhöjd bredd på endast ca 1 nm.
Singularitets dielektriska nano-lasrar har för första gången realiserat laserexcitation i ett dielektriskt system som bryter den optiska diffraktionsgränsen, och flyttar fram den karakteristiska skalan för laserljusfältet till atomnivå, jämförbar med skalan som nås av röntgenstrålar. Detta genombrott förväntas ge nya verktyg för forskning inom material- och livsvetenskap. Samtidigt, jämfört med befintliga lasrar, förbrukar den singularitetsdielektriska nanolasern inte bara mindre energi, utan realiserar också snabbare moduleringshastighet och starkare ljus-materia-interaktioner, vilket förväntas generera ett brett utbud av applikationer inom områdena informationsteknologi, avkänning och detektion .
