Được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (Số tài trợ: 12225402, 62321004, 92250302) và các khoản tài trợ khác, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Renmin Ma tại Viện Vật lý Vật chất Ngưng tụ và Vật lý Vật liệu, Khoa Vật lý, Đại học Bắc Kinh, đã đề xuất một lý thuyết phá vỡ giới hạn nhiễu xạ quang học trong các hệ thống điện môi, chuẩn bị một khoang nano quang học quy mô nguyên tử và hiện thực hóa laser nhỏ nhất trong thể tích chế độ cho đến nay, và phát minh ra Phát minh ra laser nano điện môi kỳ dị đẩy thang đặc trưng của trường ánh sáng laser xuống cấp độ nguyên tử. Kết quả nghiên cứu đã được công bố vào ngày 17 tháng 7 năm 2024 (giờ Bắc Kinh) với tiêu đề "Nanolaser điện môi kỳ dị với định vị trường quy mô nguyên tử".
Kể từ khi laser ra đời vào năm 1960, việc định vị trường quang học theo chiều tần số, thời gian, động lượng hoặc không gian để đạt được laser hiệu suất cao hơn đã trở thành động lực cốt lõi thúc đẩy sự phát triển của vật lý và thiết bị laser, và các laser hiệu suất cao mới ra đời cũng đóng góp rất lớn vào sự tiến bộ của khoa học và công nghệ hiện đại. Ví dụ, định vị cực đại trong chiều tần số có thể thu được laser cực kỳ ổn định để thao tác và đo lường chính xác, giúp làm mát nguyên tử và phát hiện sóng hấp dẫn trở nên khả thi (Giải Nobel Vật lý năm 2001, 2017); trong chiều thời gian, định vị cực đại của trường quang học có thể thu được laser atto giây cực nhanh (Giải Nobel Vật lý năm 2023), cung cấp khả năng quan sát chuyển động cực nhanh của các hạt trong vi mô. Định vị cực đại trong chiều vector sóng có thể thu được laser cực kỳ chuẩn trực, có thể áp dụng cho truyền thông quang tốc độ cao giữa các vì sao trong không gian đường dài; và trong chiều không gian, trường ánh sáng cục bộ cực độ có thể thu được tia laser ở cấp độ nano, dự kiến sẽ mang lại những cơ hội mới cho thế hệ công nghệ thông tin mới và nghiên cứu tương tác ánh sáng-vật chất dưới sự cục bộ của trường ánh sáng mạnh.
Dựa trên các phương trình Maxwell, nhóm của Mã Nhân Dân đã đề xuất một lý thuyết để phá vỡ giới hạn nhiễu xạ quang học trong các hệ thống điện môi và phát hiện ra rằng điểm kỳ dị của trường điện tại đỉnh của nanoantenna bướm điện môi có nguồn gốc từ sự phân tán của động lượng: gần đỉnh, mô men động lượng góc của điểm kỳ dị là một số thực và động lượng hướng tâm là một số ảo và gần đỉnh, giá trị tuyệt đối của hai động lượng phân tán, nhưng tổng động lượng bao gồm hai động lượng vẫn là một lượng động lượng nhỏ hữu hạn được xác định bởi hằng số điện môi vật liệu được xác định bởi một giá trị nhỏ hữu hạn. Cơ chế này tương tự như cơ chế giới hạn trường ánh sáng của chế độ kích thích phân chia đều (trong hiệu ứng kích thích phân chia đều, động lượng ngang ảo của nó khiến động lượng dọc thực tăng lên), nhưng không có tổn thất ômi. Nhóm kết hợp một nanoantenna hình con bướm điện môi với một điểm kỳ dị vô hạn của trường điện với một nanocavity quang học góc để xây dựng một nanocavity kỳ dị với một thể tích mode phá vỡ giới hạn nhiễu xạ quang học và chuẩn bị một nanolaser điện môi kỳ dị với thang đặc điểm cấp độ nguyên tử trong vật liệu khuếch đại giếng lượng tử đa bán dẫn bằng phương pháp khắc-phát triển hai bước. Đặc điểm có hệ thống của mối quan hệ công suất đầu vào-đầu ra của laser, sự thay đổi độ rộng vạch kích thích theo công suất đầu vào, tính kết hợp bậc hai và các đặc tính phân cực đầu ra của laser xác nhận rằng nanolaser điện môi kỳ dị có đặc tính phá vỡ giới hạn nhiễu xạ quang học để kích thích. Nanolaser điện môi kỳ dị có ngưỡng kích thích là 26 kW cm{{10}}, hệ số tích số kích thích là 13200, thể tích chế độ là 0,0005 λ3 và trường ánh sáng của nó bị nén cực độ ở tâm của nanoantenna với chiều rộng nửa chiều cao chỉ khoảng 1 nm.
Nano-laser điện môi kỳ dị lần đầu tiên thực hiện được sự kích thích laser trong một hệ thống điện môi phá vỡ giới hạn nhiễu xạ quang học, đưa thang đo đặc trưng của trường ánh sáng laser lên cấp độ nguyên tử, tương đương với thang đo mà tia X đạt được. Bước đột phá này được kỳ vọng sẽ cung cấp các công cụ mới cho nghiên cứu về khoa học vật liệu và sự sống. Trong khi đó, so với các laser hiện có, nano-laser điện môi kỳ dị không chỉ tiêu thụ ít năng lượng hơn mà còn thực hiện được tốc độ điều chế nhanh hơn và tương tác ánh sáng-vật chất mạnh hơn, dự kiến sẽ tạo ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, cảm biến và phát hiện.
