Výskumná skupina profesora Renmina Ma na Inštitúte fyziky kondenzovaných látok a fyziky materiálov, School of Physics, Peking University, financovaná Národnou nadáciou pre prírodné vedy v Číne (č. grantov 12225402, 62321004, 92250302) a ďalšími grantmi, navrhla teóriu prelomenia limitu optickej difrakcie v dielektrických systémoch, pripravil optickú nano-kavitu v atómovom meradle a zrealizoval doteraz najmenší laser v objemovom móde a vynález unikátneho dielektrického nanolasera posúva charakteristiku stupnica laserového svetelného poľa až po atómovú úroveň. Výsledky výskumu boli zverejnené 17. júla 2024 (čas v Pekingu) pod názvom „Singulárny dielektrický nanolaser s lokalizáciou poľa v atómovom meradle“.
Od zavedenia laserov v roku 1960 bola lokalizácia optických polí v rozmeroch frekvencie, času, hybnosti alebo priestoru na dosiahnutie vyššieho výkonu laserov hlavnou hnacou silou rozvoja laserovej fyziky a zariadení a nových vysokovýkonných takto splodené lasery tiež výrazne prispeli k pokroku modernej vedy a techniky. Napríklad extrémna lokalizácia vo frekvenčnej dimenzii môže získať ultrastabilné lasery na presnú manipuláciu a meranie, čo umožňuje atómové chladenie a detekciu gravitačných vĺn (2001, Nobelova cena za fyziku za rok 2017); v časovej dimenzii môžu extrémnu lokalizáciu optického poľa získať ultrarýchle attosekundové lasery (Nobelova cena 2023 za fyziku), ktoré poskytujú možnosť pozorovania ultrarýchlych pohybov častíc v mikrokozme. Extrémna lokalizácia v rozmere vlnového vektora môže získať ultrakolimované lasery, ktoré možno aplikovať na vysokorýchlostnú optickú komunikáciu medzihviezdneho priestoru na veľké vzdialenosti; a v priestorovej dimenzii môže extrémne lokalizované svetelné pole získať lasery v nanoúrovni, od čoho sa očakáva, že prinesie nové príležitosti pre novú generáciu informačných technológií a štúdium interakcií svetlo-hmota v rámci lokalizácie silného svetelného poľa.
Na základe Maxwellových rovníc skupina Ma Renmina navrhla teóriu na prelomenie limitu optickej difrakcie v dielektrických systémoch a zistila, že singularita elektrického poľa vo vrchole dielektrickej motýľovej nanoantény pochádza z disperzie hybnosti: v blízkosti vrcholu je uhlová hybnosť singularity je skutočné číslo a radiálna hybnosť je imaginárne číslo a v blízkosti vrcholu sa absolútna hodnota dvoch hybností rozptýli, ale celková hybnosť pozostávajúca z dvoch hybností zostáva konečným malým množstvom hybnosti určeným materiálová dielektrická konštanta určená konečnou malou hodnotou. Tento mechanizmus je podobný mechanizmu zadržiavania svetelného poľa v režime ekvipartície (pri efekte ekvipartície spôsobí jeho imaginárna priečna hybnosť zvýšenie skutočnej pozdĺžnej hybnosti), ale bez ohmických strát. Skupina kombinuje dielektrickú nanoanténu v tvare motýľa s nekonečnou singularitou elektrického poľa s rohovou optickou nanokavitou, aby vytvorila singularitnú nanokavitu s režimovým objemom, ktorý prekračuje limit optickej difrakcie, a pripravuje singularitný dielektrický nanolaser s funkciou na atómovej úrovni. stupnica v polovodičovom materiáli s viacerými kvantovými jamkami dvojstupňovou metódou leptania-rastu. Systematická charakterizácia vzťahu laserového vstupného a výstupného výkonu, variácie šírky excitačnej čiary so vstupným výkonom, koherencia druhého rádu a vlastnosti polarizácie výstupu lasera potvrdzujú, že dielektrický nanolaser singularity má vlastnosť prelomiť limit optickej difrakcie pre excitáciu. Dielektrický nanolaser singularity má prah excitácie 26 kW cm{{1{12}}}}, faktor excitačného produktu 13200, objem režimu 0,0005 λ3 a jeho svetelné pole je v strede nanoantény extrémne stlačené s polovičnou šírkou len asi 1 nm.
Dielektrické nanolasery singularity po prvýkrát zrealizovali excitáciu lasera v dielektrickom systéme, ktorý prelomí limit optickej difrakcie, čím posunie charakteristickú škálu laserového svetelného poľa na atómovú úroveň, porovnateľnú s mierkou dosiahnutou röntgenovými lúčmi. Očakáva sa, že tento prelom poskytne nové nástroje pre výskum v oblasti materiálových a biologických vied. Medzitým, v porovnaní s existujúcimi lasermi, dielektrický nanolaser singularity nielenže spotrebúva menej energie, ale tiež realizuje vyššiu rýchlosť modulácie a silnejšie interakcie svetlo-hmota, od čoho sa očakáva, že vytvorí širokú škálu aplikácií v oblasti informačných technológií, snímania a detekcie. .
