Finanziato dalla National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12225402, 62321004, 92250302) e da altre sovvenzioni, il gruppo di ricerca del Prof. Renmin Ma presso l'Institute of Condensed Matter Physics and Materials Physics, School of Physics, Peking University, ha proposto una teoria per superare il limite della diffrazione ottica nei sistemi dielettrici, ha preparato una nanocavità ottica su scala atomica e ha realizzato il laser più piccolo nel volume di modalità finora, e l'invenzione del L'invenzione del nanolaser dielettrico a singolarità spinge la scala caratteristica del campo di luce laser fino al livello atomico. I risultati della ricerca sono stati pubblicati il 17 luglio 2024 (ora di Pechino) con il titolo "Nanolaser dielettrico singolare con localizzazione del campo su scala atomica".
Dall'introduzione dei laser nel 1960, la localizzazione dei campi ottici nelle dimensioni di frequenza, tempo, momento o spazio per ottenere laser dalle prestazioni più elevate è stata la forza trainante principale per lo sviluppo della fisica e dei dispositivi laser, e i nuovi laser ad alte prestazioni così generati hanno anche contribuito notevolmente al progresso della scienza e della tecnologia moderne. Ad esempio, la localizzazione estrema nella dimensione della frequenza può ottenere laser ultrastabili per la manipolazione e la misurazione di precisione, rendendo possibile il raffreddamento atomico e il rilevamento delle onde gravitazionali (2001, 2017 Premio Nobel per la fisica); nella dimensione temporale, la localizzazione estrema del campo ottico può ottenere laser ad attosecondi ultraveloci (2023 Premio Nobel per la fisica), che fornisce la possibilità di osservare i movimenti ultraveloci delle particelle nel microcosmo. La localizzazione estrema nella dimensione del vettore d'onda può ottenere laser ultracollimati, che possono essere applicati alla comunicazione ottica ad alta velocità nello spazio interstellare a lunga distanza; e nella dimensione spaziale, il campo di luce localizzato estremo può ottenere laser su scala nanometrica, il che dovrebbe offrire nuove opportunità per la nuova generazione di tecnologie informatiche e per lo studio delle interazioni luce-materia nella localizzazione del campo di luce intensa.
Sulla base delle equazioni di Maxwell, il gruppo di Ma Renmin ha proposto una teoria per superare il limite di diffrazione ottica nei sistemi dielettrici e ha scoperto che la singolarità del campo elettrico al vertice della nanoantenna dielettrica a farfalla ha origine dalla dispersione della quantità di moto: vicino al vertice, la quantità di moto angolare della singolarità è un numero reale e la quantità di moto radiale è un numero immaginario e, vicino al vertice, il valore assoluto delle due quantità di moto si disperde, ma la quantità di moto totale costituita dalle due quantità di moto rimane una quantità di moto finita e piccola determinata dalla costante dielettrica del materiale determinata da un valore finito e piccolo. Questo meccanismo è simile al meccanismo di confinamento del campo luminoso della modalità di eccitazione equipartizionata (nell'effetto di eccitazione equipartizionata, la sua quantità di moto trasversale immaginaria causa l'aumento della quantità di moto longitudinale reale), ma senza le perdite ohmiche. Il gruppo combina una nanoantenna dielettrica a forma di farfalla con una singolarità infinita di campo elettrico con una nanocavità ottica di curvatura per costruire una nanocavità di singolarità con un volume modale che rompe il limite di diffrazione ottica e prepara un nanolaser dielettrico di singolarità con una scala di caratteristiche a livello atomico in materiale di guadagno multi-quantum-well semiconduttore mediante il metodo in due fasi di incisione-crescita. La caratterizzazione sistematica della relazione di potenza di ingresso-uscita del laser, la variazione della larghezza della linea di eccitazione con la potenza di ingresso, la coerenza di secondo ordine e le proprietà di polarizzazione dell'uscita laser confermano che il nanolaser dielettrico di singolarità ha la proprietà di rompere il limite di diffrazione ottica per l'eccitazione. Il nanolaser dielettrico a singolarità ha una soglia di eccitazione di 26 kW cm{{10}}, un fattore di prodotto di eccitazione di 13200, un volume modale di 0,0005 λ3 e il suo campo luminoso è estremamente compresso al centro della nanoantenna con una larghezza a mezza altezza di circa solo 1 nm.
I nanolaser dielettrici a singolarità hanno realizzato per la prima volta l'eccitazione laser in un sistema dielettrico che rompe il limite di diffrazione ottica, portando la scala caratteristica del campo di luce laser al livello atomico, paragonabile alla scala raggiunta dai raggi X. Si prevede che questa svolta fornirà nuovi strumenti per la ricerca nelle scienze dei materiali e della vita. Nel frattempo, rispetto ai laser esistenti, il nanolaser dielettrico a singolarità non solo consuma meno energia, ma realizza anche una velocità di modulazione più rapida e interazioni luce-materia più forti, che si prevede genereranno un'ampia gamma di applicazioni nei campi dell'informatica, della rilevazione e del rilevamento.
