beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學中心和人工微結構和介觀物理國家重點實驗室馬仁敏教授課題組構建了介電質體系突破光學衍射極限的理論，提出了制備具有原子級特征尺度光學納腔的新方法，實現了迄今模式體積最小的激光器，所發明的奇點介電納米激光将激光特征尺度推進至原子級（圖1）。研究成果以“具有原子尺度局域化光場的奇點介電納米激光”（Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization）為題，于北京時間2024年7月17日在《自然》（Nature）雜志上發表。
圖1.激光微型化的重要節點。beat365構建了介電質體系突破光學衍射極限的理論，發明了制備具有原子級特征尺度光學納腔的新方法，首次提出并實現了奇點介電納米激光，将激光特征尺度推進至原子尺度。
自1960年激光問世以來，通過在頻率、時間、動量或空間等維度對光場進行局域化，從而實現更高性能的激光一直是推動激光物理與器件發展的核心驅動力，由此催生出的新型高性能激光也深刻促進了現代科學與技術的進步（圖2）。例如，在頻率維度極端局域化光場可以得到用來構建精密幹涉裝置所需的頻率穩定激光，使引力波探測成為可能（2017年諾貝爾物理學獎）；在時間維度極端局域化光場可以得到超快的阿秒激光（2023年諾貝爾物理學獎），為觀測微觀世界中粒子的超快運動提供了可能；在波矢維度極端局域化光場可獲得超準直激光，可應用于遠距離星際空間高速光通信；而在空間維度上，極端局域化光場可獲得納米尺度激光，有望為新一代信息技術和研究強光場局域下的光與物質相互作用帶來新的機遇。
圖2.通過在頻率、時間、動量或空間等維度對光場進行極端局域化而實現的典型先進激光與應用。
動量和位置之間的不确定關系本質上決定了能将光場在空間維度上壓縮至何種尺度。常規的介電質材料的介電常數通常低于10，根據不确定關系，在如此小的介電常數下，光場隻能被壓縮到幾百納米尺度。2009年，基于等離激元效應的納米激光被發明出來，通過将光場與金屬中自由電子的振蕩耦合，可以突破光學衍射極限，将光場壓縮至10納米量級。然而，等離激元效應固有的歐姆損耗導緻熱的産生、功耗的增加以及相關器件相幹時間的減小。
馬仁敏課題組基于麥克斯韋方程構建了介電質體系突破光學衍射極限的理論，發現介電蝶形納米天線頂點處的電場奇點源自動量的發散：在頂點附近，奇點的角向動量是實數，而徑向動量是虛數，在靠近頂點處，這兩個動量的絕對值發散，但是由這兩個動量組成的總動量仍保持一個由材料介電常數決定的有限小值（圖3）。該機制類似于等離激元模式的光場限制機制（在等離激元效應中，其為虛數的橫向動量使得為實數的縱向動量增大），但确沒有歐姆損耗。介電質體系中的電場奇點可以實現光場的極端壓縮，光場的半高寬可遠小于1納米。
圖3.課題組基于麥克斯韋方程構建了介電質體系突破光學衍射極限的理論，發現介電蝶形納米天線頂點處的電場奇點源自動量的發散（a-b）。該機制類似于等離激元模式的光場限制機制，但确沒有歐姆損耗（c-d）。介電質體系中的電場奇點可以實現半高寬遠小于1納米的極端光場壓縮。
課題組将具有電場無限大奇點的介電蝶形納米天線與轉角光學納腔相結合構建了模式體積突破光學衍射極限的奇點納腔，通過刻蝕-生長兩步法在半導體多量子阱增益材料中制備了具有原子級特征尺度的奇點介電納米激光（圖4）。通過對激光輸入輸出功率關系、激射線寬随輸入功率變化、二階相幹性和激光輸出偏振特性的系統表征确認了奇點介電納米激光具有突破光學衍射極限激射的特性。奇點介電納米激光激射阈值為26 kW cm-2，激射品子因子為13200，模式體積為0.0005 λ3，其光場被極端壓縮于納米天線中心，半高寬僅約1納米。
奇點介電納米激光首次在介電質體系中實現了突破光學衍射極限的激光激射，将激光特征尺度推進至原子級，與X射線達到的尺度相當。這一突破有望為物質科學和生命科學的研究提供新的工具。Nature審稿人一緻高度評價了該工作的創新性與重要性，認為是開創性的（groundbreaking），在理論上透徹而完整地（thorough and complete）闡明了介電質體系為何能夠突破光學衍射極限，實現了首個（first demonstration）突破光學衍射極限的介電納米激光。
圖4.奇點介電納米激光。（a）奇點介電納米激光示意圖；（b）掃描電子顯微鏡照片；（c）奇點介電納米激光中心蝶形納米天線區域的掃描透射電子顯微鏡照片；（d）對數坐标下的場分布圖；（e）對數坐标下中心蝶形納米天線區域的場分布圖；（f）奇點介電納米激光在不同泵浦功率下的光譜圖；（g）二階相幹函數随輸入功率變化曲線；（h）對數坐标下的場分布截線圖；（i）放大的對數坐标下的場分布截線圖。
beat365官方网站凝聚态所2020級博士研究生歐陽雲浩、栾弘義、趙紫薇為論文共同第一作者，論文作者還包括凝聚态所2021級博士研究生毛文志；馬仁敏為通訊作者。
上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、新基石科學基金會等支持。
論文原文鍊接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07674-9
