Χρηματοδοτούμενη από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (Αριθμοί επιχορήγησης 12225402, 62321004, 92250302) και άλλες υποτροφίες, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Renmin Ma στο Institute of Condensed Matter Physics and Materials Physics, School of Physics, Πανεπιστήμιο του Πεκίνου, πρότεινε μια θεωρία της διάρρηξης του ορίου της οπτικής περίθλασης σε διηλεκτρικά συστήματα, ετοίμασε μια οπτική νανοκοιλότητα ατομικής κλίμακας και πραγματοποίησε το μικρότερο λέιζερ στον όγκο λειτουργίας μέχρι τώρα, και η εφεύρεση του Η εφεύρεση της μοναδικότητας διηλεκτρικό νανο-λέιζερ ωθεί τα χαρακτηριστικά κλίμακα του πεδίου φωτός λέιζερ μέχρι το ατομικό επίπεδο. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στις 17 Ιουλίου 2024 (ώρα Πεκίνου) με τον τίτλο "Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization".
Από την εισαγωγή των λέιζερ το 1960, ο εντοπισμός των οπτικών πεδίων στις διαστάσεις της συχνότητας, του χρόνου, της ορμής ή του χώρου για την επίτευξη λέιζερ υψηλότερης απόδοσης ήταν η βασική κινητήρια δύναμη για την ανάπτυξη της φυσικής και των συσκευών λέιζερ και των νέων υψηλών επιδόσεων. Τα λέιζερ που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο έχουν επίσης συμβάλει σημαντικά στην πρόοδο της σύγχρονης επιστήμης και τεχνολογίας. Για παράδειγμα, ο ακραίος εντοπισμός στη διάσταση της συχνότητας μπορεί να αποκτήσει εξαιρετικά σταθερά λέιζερ για χειρισμό και μέτρηση ακριβείας, καθιστώντας δυνατή την ατομική ψύξη και την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων (2001, Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2017). στη χρονική διάσταση, ο ακραίος εντοπισμός του οπτικού πεδίου μπορεί να αποκτήσει εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ attosecond (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2023), το οποίο παρέχει τη δυνατότητα παρατήρησης εξαιρετικά γρήγορων κινήσεων σωματιδίων στον μικρόκοσμο. Ο ακραίος εντοπισμός στη διάσταση του κυματοδιανύσματος μπορεί να αποκτήσει λέιζερ εξαιρετικά ευθυγραμμισμένων, τα οποία μπορούν να εφαρμοστούν σε οπτικές επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας σε μεγάλες αποστάσεις διαστρικό χώρο. και στη χωρική διάσταση, το ακραίο τοπικό πεδίο φωτός μπορεί να αποκτήσει λέιζερ νανοκλίμακας, που αναμένεται να φέρει νέες ευκαιρίες για τη νέα γενιά τεχνολογίας πληροφοριών και τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης υπό τον εντοπισμό του ισχυρού πεδίου φωτός.
Με βάση τις εξισώσεις του Maxwell, η ομάδα του Ma Renmin πρότεινε μια θεωρία για να σπάσει το όριο της οπτικής περίθλασης στα διηλεκτρικά συστήματα και διαπίστωσε ότι η ιδιομορφία του ηλεκτρικού πεδίου στην κορυφή της νανοκεραίας της διηλεκτρικής πεταλούδας προέρχεται από τη διασπορά της ορμής: κοντά στην κορυφή, η γωνιακή η ορμή της ιδιομορφίας είναι ένας πραγματικός αριθμός και η ακτινική ορμή είναι ένας φανταστικός αριθμός, και κοντά στην κορυφή, η απόλυτη τιμή των δύο ορμών διασκορπίζεται, αλλά η συνολική ορμή που αποτελείται από τις δύο ορμές παραμένει μια πεπερασμένη μικρή ποσότητα ορμής που καθορίζεται από διηλεκτρική σταθερά υλικού που καθορίζεται από μια πεπερασμένη μικρή τιμή. Αυτός ο μηχανισμός είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό περιορισμού του πεδίου φωτός του τρόπου εξισορροπημένης διέγερσης (στο φαινόμενο εξισορροπημένης διέγερσης, η φανταστική εγκάρσια ορμή του προκαλεί την αύξηση της πραγματικής διαμήκους ορμής), αλλά χωρίς τις ωμικές απώλειες. Η ομάδα συνδυάζει μια διηλεκτρική νανοκεραία σε σχήμα πεταλούδας με μια άπειρη ιδιομορφία ηλεκτρικού πεδίου με μια οπτική νανοκοιλότητα στροφής για να κατασκευάσει μια νανοκοιλότητα ιδιομορφίας με όγκο τρόπου λειτουργίας που ξεπερνά το όριο οπτικής περίθλασης και προετοιμάζει ένα χαρακτηριστικό διηλεκτρικού νανολέιζερ ιδιομορφίας με ατομικό κλίμακα σε υλικό κέρδους πολλαπλών κβαντικών φρεατίων ημιαγωγών με τη μέθοδο χάραξης-ανάπτυξης δύο σταδίων. Ο συστηματικός χαρακτηρισμός της σχέσης ισχύος εισόδου-εξόδου λέιζερ, η διακύμανση του εύρους γραμμής διέγερσης με την ισχύ εισόδου, η συνοχή δεύτερης τάξης και οι ιδιότητες πόλωσης εξόδου λέιζερ επιβεβαιώνουν ότι ο διηλεκτρικός νανολέιζερ ιδιομορφίας έχει την ιδιότητα να διαπερνά το όριο οπτικής περίθλασης για διέγερση. Το διηλεκτρικό νανολέιζερ ιδιαιτερότητας έχει κατώφλι διέγερσης 26 kW cm{{1{0}}, συντελεστή προϊόντος διέγερσης 13200, όγκο λειτουργίας 0,0005 λ3 και το φωτεινό του πεδίο είναι εξαιρετικά συμπιεσμένο στο κέντρο της νανοκεραίας με πλάτος μισού ύψους μόνο περίπου 1 nm.
Τα διηλεκτρικά νανολέιζερ Singularity πραγματοποίησαν για πρώτη φορά διέγερση με λέιζερ σε ένα διηλεκτρικό σύστημα που σπάει το όριο οπτικής περίθλασης, προωθώντας τη χαρακτηριστική κλίμακα του πεδίου φωτός του λέιζερ στο ατομικό επίπεδο, συγκρίσιμο με την κλίμακα που επιτυγχάνεται από τις ακτίνες Χ. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη αναμένεται να προσφέρει νέα εργαλεία για έρευνα στις επιστήμες του υλικού και της ζωής. Εν τω μεταξύ, σε σύγκριση με τα υπάρχοντα λέιζερ, το διηλεκτρικό nanolaser ιδιαιτερότητας όχι μόνο καταναλώνει λιγότερη ενέργεια, αλλά πραγματοποιεί επίσης μεγαλύτερη ταχύτητα διαμόρφωσης και ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης, κάτι που αναμένεται να δημιουργήσει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στους τομείς της τεχνολογίας πληροφοριών, της αίσθησης και της ανίχνευσης .
