北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心和人工微结构和介观物理国家重点实验室马仁敏教授课题组构建了介电质体系突破光学衍射极限的理论，提出了制备具有原子级特征尺度光学纳腔的新方法，实现了迄今模式体积最小的激光器，所发明的奇点介电纳米激光将激光特征尺度推进至原子级（图1）。研究成果以“具有原子尺度局域化光场的奇点介电纳米激光”（Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization）为题，于北京时间2024年7月17日在《自然》（Nature）杂志上发表【Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-07674-9, 2024】。
图1. 激光微型化的重要节点。北京大学构建了介电质体系突破光学衍射极限的理论，发明了制备具有原子级特征尺度光学纳腔的新方法，首次提出并实现了奇点介电纳米激光，将激光特征尺度推进至原子尺度。
自1960 年激光问世以来，通过在频率、时间、动量或空间等维度对光场进行局域化，从而实现更高性能的激光一直是推动激光物理与器件发展的核心驱动力，由此催生出的新型高性能激光也深刻促进了现代科学与技术的进步（图2）。例如，在频率维度极端局域化光场可以得到用来构建精密干涉装置所需的频率稳定激光，使引力波探测成为可能（2017 年诺贝尔物理学奖）；在时间维度极端局域化光场可以得到超快的阿秒激光（2023 年诺贝尔物理学奖），为观测微观世界中粒子的超快运动提供了可能；在波矢维度极端局域化光场可获得超准直激光，可应用于远距离星际空间高速光通信；而在空间维度上，极端局域化光场可获得纳米尺度激光，有望为新一代信息技术和研究强光场局域下的光与物质相互作用带来新的机遇。
图2. 通过在频率、时间、动量或空间等维度对光场进行极端局域化而实现的典型先进激光与应用。
动量和位置之间的不确定关系本质上决定了能将光场在空间维度上压缩至何种尺度。常规的介电质材料的介电常数通常低于10，根据不确定关系，在如此小的介电常数下，光场只能被压缩到几百纳米尺度。2009年，基于等离激元效应的纳米激光被发明出来，通过将光场与金属中自由电子的振荡耦合，可以突破光学衍射极限，将光场压缩至10纳米量级。然而，等离激元效应固有的欧姆损耗导致热的产生、功耗的增加以及相关器件相干时间的减小。
马仁敏课题组基于麦克斯韦方程构建了介电质体系突破光学衍射极限的理论，发现介电蝶形纳米天线顶点处的电场奇点源自动量的发散：在顶点附近，奇点的角向动量是实数，而径向动量是虚数，在靠近顶点处，这两个动量的绝对值发散，但是由这两个动量组成的总动量仍保持一个由材料介电常数决定的有限小值（图3）。该机制类似于等离激元模式的光场限制机制（在等离激元效应中，其为虚数的横向动量使得为实数的纵向动量增大），但确没有欧姆损耗。介电质体系中的电场奇点可以实现光场的极端压缩，光场的半高宽可远小于1纳米。
图3. 课题组基于麦克斯韦方程构建了介电质体系突破光学衍射极限的理论，发现介电蝶形纳米天线顶点处的电场奇点源自动量的发散（a-b）。该机制类似于等离激元模式的光场限制机制，但确没有欧姆损耗（c-d）。介电质体系中的电场奇点可以实现半高宽远小于1纳米的极端光场压缩。
课题组将具有电场无限大奇点的介电蝶形纳米天线与转角光学纳腔相结合构建了模式体积突破光学衍射极限的奇点纳腔，通过刻蚀-生长两步法在半导体多量子阱增益材料中制备了具有原子级特征尺度的奇点介电纳米激光（图4）。通过对激光输入输出功率关系、激射线宽随输入功率变化、二阶相干性和激光输出偏振特性的系统表征确认了奇点介电纳米激光具有突破光学衍射极限激射的特性。奇点介电纳米激光激射阈值为26 kW cm-2，激射品子因子为13200，模式体积为0.0005 λ3，其光场被极端压缩于纳米天线中心，半高宽仅约1纳米。
奇点介电纳米激光首次在介电质体系中实现了突破光学衍射极限的激光激射，将激光特征尺度推进至原子级，与X射线达到的尺度相当。这一突破有望为物质科学和生命科学的研究提供新的工具。Nature审稿人一致高度评价了该工作的创新性与重要性，认为是开创性的（groundbreaking），在理论上透彻而完整地（thorough and complete）阐明了介电质体系为何能够突破光学衍射极限，实现了首个（first demonstration）突破光学衍射极限的介电纳米激光。
图 4. 奇点介电纳米激光。（a）奇点介电纳米激光示意图；（b）扫描电子显微镜照片；（c）奇点介电纳米激光中心蝶形纳米天线区域的扫描透射电子显微镜照片；（d）对数坐标下的场分布图；（e）对数坐标下中心蝶形纳米天线区域的场分布图；（f）奇点介电纳米激光在不同泵浦功率下的光谱图；（g）二阶相干函数随输入功率变化曲线；（h）对数坐标下的场分布截线图；（i）放大的对数坐标下的场分布截线图。
北京大学物理学院凝聚态所2020级博士研究生欧阳云浩、栾弘义、赵紫薇为论文共同第一作者，论文作者还包括凝聚态所2021级博士研究生毛文志；马仁敏为通讯作者。
上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、新基石科学基金会等支持。
论文原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07674-9
