Finançat per la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina (subvenció núm. 12225402, 62321004, 92250302) i altres subvencions, el grup de recerca del professor Renmin Ma a l'Institut de Física de la Matèria Condensada i Física de Materials, Escola de Física de la Universitat de Pequín, va proposar una teoria. de trencar el límit de difracció òptica en sistemes dielèctrics, va preparar una nanocavitat òptica a escala atòmica i es va adonar del làser més petit en el volum de mode fins ara, i la invenció del nano-làser dielèctric de singularitat impulsa la característica escala del camp de llum làser fins al nivell atòmic. Els resultats de la investigació es van publicar el 17 de juliol de 2024 (hora de Pequín) sota el títol "Nanolàser dielèctric singular amb localització de camp a escala atòmica".
Des de la introducció dels làsers l'any 1960, la localització dels camps òptics en les dimensions de freqüència, temps, impuls o espai per aconseguir làsers de major rendiment ha estat la força impulsora principal per al desenvolupament de la física i els dispositius làser, i els nous d'alt rendiment. els làsers així generats també han contribuït en gran mesura al progrés de la ciència i la tecnologia modernes. Per exemple, la localització extrema en la dimensió de la freqüència pot obtenir làsers ultra estables per a la manipulació i mesurament de precisió, fent possible el refredament atòmic i la detecció d'ones gravitatòries (Premi Nobel de Física 2001, 2017); en la dimensió temporal, la localització extrema del camp òptic permet obtenir làsers attosegons ultra ràpids (Premi Nobel de Física 2023), que ofereix la possibilitat d'observar moviments ultra ràpids de partícules al microcosmos. La localització extrema a la dimensió del vector d'ona pot obtenir làsers ultra-colimats, que es poden aplicar a la comunicació òptica d'alta velocitat de l'espai interestel·lar de llarga distància; i en la dimensió espacial, el camp de llum localitzat extrem pot obtenir làsers a nanoescala, cosa que s'espera que aporti noves oportunitats per a la nova generació de tecnologia de la informació i l'estudi de les interaccions llum-matèria sota la localització del camp de llum fort.
A partir de les equacions de Maxwell, el grup de Ma Renmin va proposar una teoria per trencar el límit de difracció òptica en sistemes dielèctrics i va trobar que la singularitat del camp elèctric al vèrtex de la nanoantena de la papallona dielèctrica s'origina a partir de la dispersió del moment: prop del vèrtex, l'angular el moment de la singularitat és un nombre real, i el moment radial és un nombre imaginari, i prop del vèrtex, el valor absolut dels dos moments es dispersa, però el moment total que consisteix en els dos moments segueix sent una petita quantitat finita de moment determinat per constant dielèctrica del material determinada per un petit valor finit. Aquest mecanisme és similar al mecanisme de confinament del camp de llum del mode d'excitació equiparticionada (en l'efecte d'excitació equiparticionada, el seu moment transversal imaginari fa que augmenti el moment longitudinal real), però sense les pèrdues òhmiques. El grup combina una nanoantena dielèctrica en forma de papallona amb una singularitat infinita de camp elèctric amb una nanocavitat òptica de cantonada per construir una nanocavitat singular amb un volum de mode que trenca el límit de difracció òptica i prepara un nanolàser dielèctric de singularitat amb una característica a nivell atòmic. escala en material de guany multi-pous quàntics de semiconductors mitjançant el mètode de creixement de gravat en dos passos. La caracterització sistemàtica de la relació de potència d'entrada-sortida del làser, la variació de l'amplada de línia d'excitació amb la potència d'entrada, la coherència de segon ordre i les propietats de polarització de sortida del làser confirmen que el nanolaser dielèctric de singularitat té la propietat de trencar el límit de difracció òptica per a l'excitació. El nanolaser dielèctric de singularitat té un llindar d'excitació de 26 kW cm{{10}}, un factor de producte d'excitació de 13200, un volum de mode de 0,0005 λ3 i el seu camp de llum està extremadament comprimit al centre de la nanoantena. amb una amplada a mitja alçada de només 1 nm aproximadament.
Els nano-làsers dielèctrics de singularitat han realitzat per primera vegada una excitació làser en un sistema dielèctric que trenca el límit de difracció òptica, avançant l'escala característica del camp de llum làser al nivell atòmic, comparable a l'escala aconseguida pels raigs X. S'espera que aquest avenç proporcioni noves eines per a la recerca en ciències dels materials i de la vida. Mentrestant, en comparació amb els làsers existents, el nanolàser dielèctric singular no només consumeix menys energia, sinó que també aconsegueix una velocitat de modulació més ràpida i interaccions llum-matèria més fortes, cosa que s'espera que generi una àmplia gamma d'aplicacions en els camps de la tecnologia de la informació, la detecció i la detecció. .
