Výzkumná skupina profesora Renmina Ma na Ústavu fyziky kondenzovaných látek a fyziky materiálů, School of Physics, Peking University, financovaná Čínskou národní nadací pro přírodní vědy (č. grantu 12225402, 62321004, 92250302) a dalšími granty, navrhla teorii prolomení limitu optické difrakce v dielektrických systémech, připravila optickou nanodutinu v atomovém měřítku a realizovala dosud nejmenší laser v modovém objemu a vynález dielektrického nanolaseru singularity posouvá charakteristiku stupnice pole laserového světla až na atomovou úroveň. Výsledky výzkumu byly zveřejněny 17. července 2024 (pekingského času) pod názvem „Singulární dielektrický nanolaser s lokalizací pole v atomárním měřítku“.
Od zavedení laserů v roce 1960 byla lokalizace optických polí v rozměrech frekvence, času, hybnosti nebo prostoru pro dosažení vyššího výkonu laserů hlavní hnací silou pro vývoj laserové fyziky a zařízení a nových vysoce výkonných takto vzniklé lasery také výrazně přispěly k pokroku moderní vědy a techniky. Například extrémní lokalizace ve frekvenční dimenzi může získat ultrastabilní lasery pro přesnou manipulaci a měření, což umožňuje atomové chlazení a detekci gravitačních vln (2001, Nobelova cena za fyziku 2017); v časové dimenzi mohou extrémní lokalizaci optického pole získat ultrarychlé attosekundové lasery (Nobelova cena za fyziku 2023), které poskytují možnost pozorování ultrarychlých pohybů částic v mikrokosmu. Extrémní lokalizace v dimenzi vlnového vektoru může získat ultrakolimované lasery, které lze aplikovat na vysokorychlostní optickou komunikaci mezihvězdného prostoru na velké vzdálenosti; a v prostorové dimenzi může extrémní lokalizované světelné pole získat lasery v nanoměřítku, od čehož se očekává, že přinese nové příležitosti pro novou generaci informačních technologií a studium interakcí světla a hmoty v lokalizaci silného světelného pole.
Na základě Maxwellových rovnic navrhla skupina Ma Renmina teorii k prolomení limitu optické difrakce v dielektrických systémech a zjistila, že singularita elektrického pole ve vrcholu dielektrické motýlí nanoantény pochází z disperze hybnosti: v blízkosti vrcholu je úhlová hybnost singularity je reálné číslo a radiální hybnost je imaginární číslo a v blízkosti vrcholu se absolutní hodnota dvou hybností rozptyluje, ale celková hybnost sestávající ze dvou hybností zůstává konečným malým množstvím hybnosti určené materiálová dielektrická konstanta určená konečnou malou hodnotou. Tento mechanismus je podobný mechanismu omezení světelného pole ekvipartičního excitačního módu (při ekvipartičním buzení způsobí jeho imaginární příčná hybnost zvýšení skutečné podélné hybnosti), ale bez ohmických ztrát. Skupina kombinuje dielektrickou nanoanténu ve tvaru motýla s nekonečnou singularitou elektrického pole se zakřivenou optickou nanokavitou, aby vytvořila singularitní nanokavitu s objemovým módem, který prolomí limit optické difrakce, a připraví singularitní dielektrický nanolaser s funkcí atomové úrovně měřítko v polovodičovém materiálu s více kvantovými jamkami dvoustupňovou metodou leptání-růst. Systematická charakterizace vztahu vstupního a výstupního výkonu laseru, variace šířky excitační čáry se vstupním výkonem, koherence druhého řádu a vlastnosti polarizace výstupu laseru potvrzují, že singularitní dielektrický nanolaser má vlastnost prolomit limit optické difrakce pro excitaci. Dielektrický nanolaser singularity má prahovou hodnotu excitace 26 kW cm{{1{12}}}}, faktor součinu buzení 13200, objem režimu 0,0005 λ3 a jeho světelné pole je ve středu nanoantény extrémně stlačené s poloviční šířkou pouze asi 1 nm.
Dielektrické nanolasery singularity poprvé realizovaly excitaci laseru v dielektrickém systému, který prolomí limit optické difrakce a posune charakteristické měřítko pole laserového světla na atomární úroveň, srovnatelnou s měřítkem dosahovaným rentgenovým zářením. Očekává se, že tento průlom poskytne nové nástroje pro výzkum materiálových a biologických věd. Mezitím, ve srovnání se stávajícími lasery, singularitní dielektrický nanolaser nejen spotřebovává méně energie, ale také realizuje rychlejší modulační rychlost a silnější interakce světla a hmoty, od čehož se očekává, že vytvoří širokou škálu aplikací v oblasti informačních technologií, snímání a detekce. .
