Raziskovalna skupina prof. Renmina Maja na Inštitutu za fiziko kondenziranih snovi in fiziko materialov, Fakulteta za fiziko Univerze v Pekingu, ki jo financira Kitajska nacionalna naravoslovna fundacija (št. štipendij 12225402, 62321004, 92250302) in druge štipendije, je predlagala teorijo prebijanja meje optične difrakcije v dielektričnih sistemih, pripravili optično nano-votlino v atomskem merilu in realizirali najmanjši laser v modalnem volumnu doslej, izum dielektričnega nano-laserja singularnosti pa potisne značilnost obseg laserskega svetlobnega polja do atomske ravni. Rezultati raziskave so bili objavljeni 17. julija 2024 (po pekinškem času) pod naslovom "Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization".
Od uvedbe laserjev leta 1960 je bila lokalizacija optičnih polj v dimenzijah frekvence, časa, gibalne količine ali prostora za doseganje visoko zmogljivih laserjev osrednja gonilna sila za razvoj laserske fizike in naprav ter novih visokozmogljivih laserjev. Tako nastali laserji so veliko prispevali tudi k napredku sodobne znanosti in tehnologije. Na primer, ekstremna lokalizacija v frekvenčni dimenziji lahko pridobi ultrastabilne laserje za natančno manipulacijo in merjenje, kar omogoča atomsko hlajenje in zaznavanje gravitacijskih valov (2001, 2017 Nobelova nagrada za fiziko); v časovni dimenziji lahko z ekstremno lokalizacijo optičnega polja dobimo ultra hitre atosekundne laserje (2023 Nobelova nagrada za fiziko), kar daje možnost opazovanja ultra hitrih gibanj delcev v mikrokozmosu. Ekstremna lokalizacija v dimenziji valovnega vektorja lahko pridobi ultrakolimirane laserje, ki jih je mogoče uporabiti za visokohitrostno optično komunikacijo medzvezdnega prostora na dolge razdalje; in v prostorski dimenziji lahko ekstremno lokalizirano svetlobno polje pridobi nanometrske laserje, kar naj bi prineslo nove priložnosti za novo generacijo informacijske tehnologije in preučevanje interakcij svetlobe in snovi pod lokalizacijo močnega svetlobnega polja.
Na podlagi Maxwellovih enačb je Ma Renminova skupina predlagala teorijo za preboj meje optične difrakcije v dielektričnih sistemih in ugotovila, da singularnost električnega polja na vrhu dielektrične metuljaste nanoantene izvira iz disperzije gibalne količine: blizu vrha je kotni gibalna količina singularnosti je realno število, radialna gibalna količina pa je imaginarno število, v bližini vrha pa se absolutna vrednost obeh gibalnih količin razprši, vendar skupna gibalna količina, sestavljena iz obeh gibalnih količin, ostane končna majhna količina gibalne količine, določena z dielektrična konstanta materiala, določena s končno majhno vrednostjo. Ta mehanizem je podoben mehanizmu omejevanja svetlobnega polja enakomerno razdeljenega načina vzbujanja (pri enakomerno porazdeljenem vzbujalnem učinku njegov namišljeni prečni moment povzroči povečanje dejanskega vzdolžnega momenta), vendar brez ohmskih izgub. Skupina združuje dielektrično nanoanteno v obliki metulja z neskončno singularnostjo električnega polja z optično nanokaviteto v kotu, da konstruira nanokaviteto singularnosti z modalnim volumnom, ki prebije mejo optične difrakcije, in pripravi singularni dielektrični nanolaser s funkcijo na atomski ravni skala v polprevodniškem materialu z več kvantnimi vrtinami z dvostopenjsko metodo rasti z jedkanjem. Sistematična karakterizacija razmerja med vhodno-izhodno močjo laserja, variacija širine črte vzbujanja z vhodno močjo, koherenca drugega reda in polarizacijske lastnosti laserskega izhoda potrjujejo, da ima singularni dielektrični nanolaser lastnost, da prebije mejo optične difrakcije za vzbujanje. Dielektrični nanolaser s singularnostjo ima vzbujevalni prag 26 kW cm{{10}}, produktni faktor vzbujanja 13200, volumen moda 0,0005 λ3, njegovo svetlobno polje pa je izjemno stisnjeno v središču nanoantene. s širino polovične višine le okoli 1 nm.
Dielektrični nano-laserji Singularity so prvič realizirali lasersko vzbujanje v dielektričnem sistemu, ki prebije mejo optične difrakcije, napreduje značilno lestvico laserskega svetlobnega polja na atomsko raven, primerljivo z lestvico, ki jo dosežejo rentgenski žarki. Pričakuje se, da bo ta preboj zagotovil nova orodja za raziskave v materialih in znanostih o življenju. Medtem v primerjavi z obstoječimi laserji singularni dielektrični nanolaser ne le porabi manj energije, ampak tudi realizira hitrejšo hitrost modulacije in močnejše interakcije med svetlobo in snovjo, kar naj bi ustvarilo širok spekter aplikacij na področjih informacijske tehnologije, zaznavanja in detekcije. .
