El grupo de investigación del profesor Renmin Ma, del Instituto de Física de la Materia Condensada y Física de los Materiales de la Facultad de Física de la Universidad de Pekín, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvenciones núm. 12225402, 62321004, 92250302) y otras subvenciones, propuso una teoría para romper el límite de la difracción óptica en sistemas dieléctricos, preparó una nanocavidad óptica a escala atómica y realizó el láser más pequeño en el volumen modal hasta el momento, y la invención del nanoláser dieléctrico singular empuja la escala característica del campo de luz láser hasta el nivel atómico. Los resultados de la investigación se publicaron el 17 de julio de 2024 (hora de Pekín) con el título "Nanoláser dieléctrico singular con localización de campo a escala atómica".
Desde la introducción de los láseres en 1960, la localización de campos ópticos en las dimensiones de frecuencia, tiempo, momento o espacio para lograr láseres de mayor rendimiento ha sido la fuerza impulsora principal para el desarrollo de la física y los dispositivos láser, y los nuevos láseres de alto rendimiento así generados también han contribuido en gran medida al progreso de la ciencia y la tecnología modernas. Por ejemplo, la localización extrema en la dimensión de frecuencia puede obtener láseres ultraestables para manipulación y medición de precisión, lo que hace posible el enfriamiento atómico y la detección de ondas gravitacionales (2001, Premio Nobel de Física 2017); en la dimensión del tiempo, la localización extrema del campo óptico puede obtener láseres de attosegundos ultrarrápidos (Premio Nobel de Física 2023), lo que brinda la posibilidad de observar movimientos ultrarrápidos de partículas en el microcosmos. La localización extrema en la dimensión del vector de onda puede obtener láseres ultracolimados, que se pueden aplicar a la comunicación óptica de alta velocidad en el espacio interestelar de larga distancia; y en la dimensión espacial, el campo de luz localizado extremo puede obtener láseres a nanoescala, lo que se espera que traiga nuevas oportunidades para la nueva generación de tecnología de la información y el estudio de las interacciones luz-materia bajo la localización del campo de luz fuerte.
Basándose en las ecuaciones de Maxwell, el grupo de Ma Renmin propuso una teoría para superar el límite de difracción óptica en sistemas dieléctricos y descubrió que la singularidad del campo eléctrico en el vértice de la nanoantena mariposa dieléctrica se origina a partir de la dispersión del momento: cerca del vértice, el momento angular de la singularidad es un número real y el momento radial es un número imaginario, y cerca del vértice, el valor absoluto de los dos momentos se dispersa, pero el momento total que consiste en los dos momentos sigue siendo una cantidad pequeña finita de momento determinada por la constante dieléctrica del material determinada por un valor pequeño finito. Este mecanismo es similar al mecanismo de confinamiento del campo de luz del modo de excitación equiparticionado (en el efecto de excitación equiparticionado, su momento transversal imaginario hace que el momento longitudinal real aumente), pero sin las pérdidas óhmicas. El grupo combina una nanoantena dieléctrica en forma de mariposa con una singularidad infinita de campo eléctrico con una nanocavidad óptica de curvatura para construir una nanocavidad singular con un volumen modal que rompe el límite de difracción óptica y prepara un nanoláser dieléctrico singular con una escala de características a nivel atómico en material semiconductor con ganancia de pozos cuánticos múltiples mediante el método de dos pasos de grabado-crecimiento. La caracterización sistemática de la relación de potencia de entrada-salida del láser, la variación del ancho de línea de excitación con la potencia de entrada, la coherencia de segundo orden y las propiedades de polarización de salida del láser confirman que el nanoláser dieléctrico singular tiene la propiedad de romper el límite de difracción óptica para la excitación. El nanoláser dieléctrico de singularidad tiene un umbral de excitación de 26 kW cm{{10}}, un factor de producto de excitación de 13200, un volumen de modo de 0,0005 λ3 y su campo de luz está extremadamente comprimido en el centro de la nanoantena con un ancho de media altura de solo alrededor de 1 nm.
Los nanoláseres dieléctricos de singularidad han logrado por primera vez la excitación láser en un sistema dieléctrico que rompe el límite de difracción óptica, lo que hace avanzar la escala característica del campo de luz láser hasta el nivel atómico, comparable a la escala alcanzada por los rayos X. Se espera que este avance proporcione nuevas herramientas para la investigación en ciencias de los materiales y de la vida. Mientras tanto, en comparación con los láseres existentes, el nanoláser dieléctrico de singularidad no solo consume menos energía, sino que también logra una velocidad de modulación más rápida e interacciones luz-materia más fuertes, lo que se espera que genere una amplia gama de aplicaciones en los campos de la tecnología de la información, la detección y la detección.
