Mit Mitteln der National Natural Science Foundation of China (Zuschussnummern 12225402, 62321004, 92250302) und anderer Zuschüsse schlug die Forschungsgruppe von Prof. Renmin Ma am Institut für Festkörperphysik und Materialphysik der Fakultät für Physik der Peking-Universität eine Theorie zum Durchbrechen der Grenze der optischen Beugung in dielektrischen Systemen vor, bereitete eine optische Nanokavität im atomaren Maßstab vor und realisierte den bisher kleinsten Laser im Modenvolumen sowie die Erfindung des singulären dielektrischen Nanolasers, der die charakteristische Skala des Laserlichtfelds auf die atomare Ebene herunterdrückt. Die Forschungsergebnisse wurden am 17. Juli 2024 (Pekinger Zeit) unter dem Titel „Singulärer dielektrischer Nanolaser mit atomarer Feldlokalisierung“ veröffentlicht.
Seit der Einführung des Lasers im Jahr 1960 ist die Lokalisierung optischer Felder in den Dimensionen Frequenz, Zeit, Impuls und Raum zur Erzielung leistungsstärkerer Laser die zentrale Triebkraft für die Entwicklung der Laserphysik und von Lasergeräten. Die so hervorgebrachten neuen Hochleistungslaser haben auch maßgeblich zum Fortschritt der modernen Wissenschaft und Technik beigetragen. So können beispielsweise durch extreme Lokalisierung in der Frequenzdimension ultrastabile Laser für präzise Manipulation und Messung erhalten werden, die atomare Kühlung und Gravitationswellenerkennung ermöglichen (Nobelpreis für Physik 2001, 2017). In der Zeitdimension können durch extreme Lokalisierung des optischen Felds ultraschnelle Attosekundenlaser erhalten werden (Nobelpreis für Physik 2023), mit denen sich ultraschnelle Partikelbewegungen im Mikrokosmos beobachten lassen. Durch extreme Lokalisierung in der Wellenvektordimension können ultrakollimierte Laser erhalten werden, die für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation über große Entfernungen im interstellaren Raum eingesetzt werden können. und in der räumlichen Dimension kann das extrem lokalisierte Lichtfeld Nanolaser erzeugen, was voraussichtlich neue Möglichkeiten für die neue Generation der Informationstechnologie und die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie unter der Lokalisierung des starken Lichtfelds mit sich bringen wird.
Basierend auf den Maxwell-Gleichungen schlug Ma Renmins Gruppe eine Theorie vor, um die optische Beugungsgrenze in dielektrischen Systemen zu durchbrechen, und fand heraus, dass die elektrische Feldsingularität am Scheitelpunkt der dielektrischen Schmetterlings-Nanoantenne aus der Impulsdispersion resultiert: In der Nähe des Scheitelpunkts ist der Drehimpuls der Singularität eine reelle Zahl und der Radialimpuls eine imaginäre Zahl, und in der Nähe des Scheitelpunkts streuen die Absolutwerte der beiden Impulse, aber der Gesamtimpuls, der aus den beiden Impulsen besteht, bleibt ein endlich kleiner Impuls, der durch die Dielektrizitätskonstante des Materials bestimmt wird, die durch einen endlich kleinen Wert bestimmt wird. Dieser Mechanismus ähnelt dem Lichtfeld-Einschlussmechanismus des gleichgeteilten Anregungsmodus (beim gleichgeteilten Anregungseffekt bewirkt sein imaginärer Querimpuls eine Erhöhung des realen Längsimpulses), jedoch ohne die ohmschen Verluste. Die Gruppe kombiniert eine dielektrische schmetterlingsförmige Nanoantenne mit unendlicher Singularität des elektrischen Felds mit einer optischen Nanokavität mit Kurvencharakteristik, um eine singuläre Nanokavität mit einem Modenvolumen zu konstruieren, das die optische Beugungsgrenze durchbricht, und stellt einen singulären dielektrischen Nanolaser mit einer Merkmalsskala auf atomarer Ebene in Halbleiter-Mehrfachquantentopf-Verstärkungsmaterial durch die zweistufige Ätz-Wachstums-Methode her. Die systematische Charakterisierung der Beziehung zwischen Laser-Eingangs- und Ausgangsleistung, der Anregungslinienbreitenvariation mit der Eingangsleistung, der Kohärenz zweiter Ordnung und der Polarisationseigenschaften des Laserausgangs bestätigt, dass der singuläre dielektrische Nanolaser die Eigenschaft hat, die optische Beugungsgrenze für die Anregung zu durchbrechen. Der singuläre dielektrische Nanolaser hat eine Anregungsschwelle von 26 kW cm{{10}}, einen Anregungsproduktfaktor von 13200, ein Modenvolumen von 0,0005 λ3 und sein Lichtfeld ist in der Mitte der Nanoantenne mit einer Halbhöhenbreite von nur etwa 1 nm extrem komprimiert.
Mit Singularity-Dielectric-Nanolasern ist es erstmals gelungen, Laseranregungen in einem dielektrischen System zu realisieren, das die optische Beugungsgrenze durchbricht und die charakteristische Größenordnung des Laserlichtfelds auf atomare Ebene erhöht, vergleichbar mit der Größenordnung von Röntgenstrahlen. Dieser Durchbruch dürfte neue Werkzeuge für die Material- und Biowissenschaften liefern. Im Vergleich zu bestehenden Lasern verbraucht der Singularity-Dielectric-Nanolaser nicht nur weniger Energie, sondern realisiert auch eine schnellere Modulationsgeschwindigkeit und stärkere Licht-Materie-Wechselwirkungen, was voraussichtlich zu einer breiten Palette von Anwendungen in den Bereichen Informationstechnologie, Sensorik und Erkennung führen wird.
