Finansiran od strane Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (br. grantova 12225402, 62321004, 92250302) i drugih grantova, istraživačka grupa prof. Renmina Maa na Institutu za fiziku kondenzovane materije i fiziku materijala, Fakultet fizike, Univerzitet u Pekingu, predložila je probijanja granice optičke difrakcije u dielektričnim sistemima, pripremio optičku nano-šupljinu atomske skale i realizovao najmanji laser u zapremini moda do sada, a pronalazak singularnog dielektričnog nano-lasera pomera karakteristike skalu laserskog svjetlosnog polja sve do atomskog nivoa. Rezultati istraživanja objavljeni su 17. jula 2024. (po pekinškom vremenu) pod naslovom "Singularni dielektrični nanolaser sa lokalizacijom polja na atomskom nivou".
Od uvođenja lasera 1960. godine, lokalizacija optičkih polja u dimenzijama frekvencije, vremena, momenta ili prostora kako bi se postigli laseri viših performansi bila je ključna pokretačka snaga za razvoj laserske fizike i uređaja, te novih visokih performansi. tako nastali laseri su takođe uveliko doprineli napretku moderne nauke i tehnologije. Na primer, ekstremna lokalizacija u dimenziji frekvencije može da dobije ultra-stabilne lasere za preciznu manipulaciju i merenje, čineći atomsko hlađenje i detekciju gravitacionih talasa mogućim (2001, 2017 Nobelova nagrada za fiziku); u vremenskoj dimenziji, ekstremnom lokalizacijom optičkog polja mogu se dobiti ultrabrzi laseri atosekunde (Nobelova nagrada za fiziku 2023.), što pruža mogućnost posmatranja ultrabrzih kretanja čestica u mikrokosmosu. Ekstremna lokalizacija u dimenziji talasnog vektora može da dobije ultra kolimirane lasere, koji se mogu primeniti na optičku komunikaciju velike brzine u međuzvezdanom svemiru na velikim udaljenostima; iu prostornoj dimenziji, ekstremno lokalizovano svetlosno polje može da dobije lasere nanorazmera, što se očekuje da donese nove mogućnosti za novu generaciju informacionih tehnologija i proučavanje interakcija svetlost-materija pod lokalizacijom jakog svetlosnog polja.
Na osnovu Maxwellovih jednadžbi, Ma Renminova grupa je predložila teoriju za probijanje granice optičke difrakcije u dielektričnim sistemima i otkrila da singularnost električnog polja na vrhu dielektrične nanoantene leptira potiče od disperzije momenta: blizu vrha, ugaoni zamah singulariteta je realan broj, a radijalni zamah je imaginarni broj, a u blizini temena, apsolutna vrijednost dva momenta gibanja se raspršuje, ali ukupni impuls koji se sastoji od dva momenta gibanja ostaje konačna mala količina momenta određen prema dielektrična konstanta materijala određena konačnom malom vrijednošću. Ovaj mehanizam je sličan mehanizmu ograničavanja svjetlosnog polja kod jednako podijeljenog pobuđivača (u efektu jednako podijeljene pobude, njegov imaginarni poprečni impuls uzrokuje povećanje stvarnog longitudinalnog momenta), ali bez omskih gubitaka. Grupa kombinuje dielektričnu nanoantenu u obliku leptira sa beskonačnim singularitetom električnog polja sa optičkom nanošupljinom u zavojima kako bi konstruisala singularnu nanošupljinu sa zapreminom moda koja probija granicu optičke difrakcije, i priprema singularitet dielektrični nanolaser sa karakteristikama na atomskom nivou skala u poluvodičkom materijalu za pojačanje s više kvantnih jama dvostepenom metodom jetkanja-rasta. Sistematska karakterizacija odnosa između ulazne i izlazne snage lasera, varijacije širine linije pobude sa ulaznom snagom, koherentnost drugog reda i svojstva polarizacije laserskog izlaza potvrđuju da dielektrični nanolaser singularnosti ima svojstvo probijanja granice optičke difrakcije za pobuđivanje. Singularni dielektrični nanolaser ima prag pobude od 26 kW cm{{10}}, faktor ekscitacije od 13200, zapreminu moda od 0,0005 λ3, a njegovo svjetlosno polje je izuzetno komprimirano u centru nanoantene sa širinom polovine visine od samo oko 1 nm.
Singularni dielektrični nano-laseri su po prvi put realizovali lasersku ekscitaciju u dielektričnom sistemu koji probija granicu optičke difrakcije, unapređujući karakterističnu skalu polja laserske svetlosti na atomski nivo, uporediv sa skalom koju dostižu X-zraci. Očekuje se da će ovaj napredak pružiti nove alate za istraživanje materijala i nauka o životu. U međuvremenu, u poređenju sa postojećim laserima, singularni dielektrični nanolaser ne samo da troši manje energije, već i ostvaruje veću brzinu modulacije i jače interakcije svetlosti i materije, za koje se očekuje da će stvoriti širok spektar primena u oblasti informacionih tehnologija, detekcije i detekcije. .
