將光場壓縮到原子尺度，為直接觀察單個分子開辟了可能性，為物理和生命科學提供了創(chuàng)新的成像和研究工具。然而，衍射極限對光場可以被壓縮的程度施加了一個基本的限制，這是基于可實現(xiàn)的光子動量。

與介電結(jié)構(gòu)相比，等離子體通過將光場與金屬中自由電子的振蕩耦合，提供了優(yōu)越的場約束。然而，等離子體存在固有的歐姆損耗，導致熱的產(chǎn)生、功耗的增加和等離子體器件相干時間的限制。

在此，來自北京大學的馬仁敏等研究者提出并演示了奇異介質(zhì)納米激光器，其模式體積打破了光學衍射極限。相關(guān)論文以題為“Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”于2024年07月17日發(fā)表在Nature上。

自1960年激光器發(fā)明以來，實現(xiàn)光場在頻率、時間、動量或空間等維度上的局部化以實現(xiàn)更高性能的激光器一直是激光物理和器件發(fā)展的核心驅(qū)動力。這些高性能激光器的出現(xiàn)對現(xiàn)代科學技術(shù)的進步作出了深刻的貢獻。

例如，光場在頻率維度上的極端定位導致了頻率穩(wěn)定的激光器，這是構(gòu)建精確干涉設(shè)備所必需的，使引力波探測成為可能。

在時間維度上，光場的極端局域化導致了超快阿秒激光器的發(fā)展，使得在微觀世界中觀測粒子的超快運動成為可能。在動量維度上，極局域化的光場產(chǎn)生高度準直的激光器，適用于遠距離星際空間通信。

在空間維度上，場定位導致了微尺度激光器的發(fā)展，其研究可以追溯到20世紀90年代。在探索空間場定位的極限及其在各個領(lǐng)域的實際應用的推動下，不斷努力實現(xiàn)更小的激光器至今仍在繼續(xù)。

動量和位置之間的不確定關(guān)系決定了光場在空間上的定位程度。為了構(gòu)造極小的模體積，基本的障礙在于光帶半導體材料的介電常數(shù)通常低于10。根據(jù)不確定關(guān)系，在如此小的介電常數(shù)下，研究者只能將光場定位到數(shù)百納米的尺度。

通過將光場與金屬中自由電子的振蕩耦合，可以實現(xiàn)等離子體場約束。2009年，突破光學衍射極限的等離子體納米激光器被實驗證明。在過去的十年中，等離子體納米激光器已經(jīng)被證明具有極小的體積，超快的調(diào)制速度和極低的能量消耗。

然而，等離子體場約束不可避免地伴隨著固有的歐姆損失。在電介質(zhì)中實現(xiàn)亞衍射限制光場約束的理想場景，長期以來被認為是不可能的，

但這種看法最近發(fā)生了變化。全波模擬表明，將介電領(lǐng)結(jié)納米天線集成到光子晶體結(jié)構(gòu)中可以導致亞衍射限制模式體積。這種結(jié)構(gòu)的獨特性歸因于自相似邊界條件效應，將介電領(lǐng)結(jié)納米天線視為不斷減小的介電-空氣-介電，空氣-介電-空氣自相似結(jié)構(gòu)，其中邊界條件有助于納米天線尖端的場增強。

然而，對于該結(jié)構(gòu)中衍射極限的突破，目前還沒有一個基本的解釋。此外，相關(guān)的實驗研究目前僅限于無源介質(zhì)腔的構(gòu)建。

在此，研究者展示了一個具有亞衍射限制模式體積的介電納米激光器。研究者的方法是在扭曲晶格納米腔內(nèi)集成一個介電領(lǐng)結(jié)納米天線來構(gòu)造這個裝置。

研究者發(fā)現(xiàn)介電領(lǐng)結(jié)納米天線尖端處的電場奇點源于動量發(fā)散，導致電場高度集中(圖1)。在尖端附近，奇點的角動量分量為實數(shù)，而徑向分量為虛數(shù)，兩者大小相等。在靠近頂點處，這兩個動量的絕對值偏離(圖1a,b)。

值得注意的是，由這兩個動量組成的總動量仍然是由材料的介電常數(shù)決定的一個有限的小值。這種機制讓人想起等離子體模式，但沒有歐姆損失，其中一個動量是虛的，有助于增加其他動量分量(圖1c,d)。

在實驗中，研究者通過蝕刻和原子層沉積兩步工藝，精心控制領(lǐng)結(jié)納米天線尖端的間隙大小。這種精度使研究者能夠?qū)崿F(xiàn)具有單納米間隙尺寸的納米天線結(jié)構(gòu)。

通過將納米天線與扭曲晶格納米腔相結(jié)合來抑制其高輻射損耗，研究者成功地實現(xiàn)了一個特征尺寸為1nm的亞衍射限制奇異介質(zhì)納米激光器。

圖1 奇異介質(zhì)納米激光器中的電場無限奇點。

圖2 具有原子尺度間隙尺寸納米天線的奇異介質(zhì)納米激光器的制備。

圖3 單介質(zhì)納米激光器的激光特性。

圖4 奇異介質(zhì)納米激光器的模式特性。

圖5 非積分拓撲電荷與原子尺度定域光場。

綜上所述，研究者提出并演示了一種具有亞衍射限制模式體積的奇異介質(zhì)納米激光器。通過將介電領(lǐng)結(jié)納米天線集成到扭曲晶格納米腔的中心，該器件在1納米尺度上實現(xiàn)了前所未有的小特征尺寸。制造過程包括蝕刻和原子層沉積兩步方法，以產(chǎn)生具有單納米間隙的介電領(lǐng)結(jié)納米天線。

從麥克斯韋方程推導出的納米天線在其頂端支持無限奇異電場的獨特能力，使原子尺度上的極端場定位成為可能。這項研究揭示了這種現(xiàn)象背后的機制，其中一個動量分量是虛構(gòu)的，類似于等離子體模式，但沒有金屬損失。

實驗控制領(lǐng)結(jié)尖端的間隙尺寸，結(jié)合扭曲晶格納米腔來抑制輻射損失，結(jié)果實現(xiàn)了亞衍射限制的奇異介質(zhì)納米激光器，具有超精密測量，超分辨率成像，超高效計算和通信以及探索極端光場定位中的光-物質(zhì)相互作用的巨大潛力。

【參考文獻】

Ouyang, YH., Luan, HY., Zhao, ZW.?et al.?Singular dielectric?nanolaser with atomic-scale field localization.?Nature?(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07674-9

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07674-9