近日，北京大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出具有原子级空间局域的介电纳米激光器。这种介电纳米激光器，可以突破光学衍射极限，实现极小的模式体积。该工作以“Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”为题，发表在《Nature》杂志上。
研究背景
自1960年激光器发明以来，光场在频率、时间、动量或空间等维度上的局域化一直是推动激光物理和设备发展的核心动力。这些高性能激光器的出现极大地促进了现代科学技术的发展。例如，极端的频率维度局域化催生了频率稳定的激光器，使得引力波检测成为可能；时间维度上的局域化则推动了超快阿秒激光的发展，能够观测微观世界中粒子的超快运动；动量维度的局域化产生了高度准直的激光器，适用于长距离的星际通信；而空间维度的局域化则催生了微尺度激光器的研究。
图1：物理概念示意图。
研究突破
尽管介电结构在场约束方面具有优势，但由于衍射极限的存在，光场的压缩受到基本限制。然而，北京大学的研究团队通过将介电领结纳米天线嵌入扭曲晶格纳米腔，实现了超越衍射极限的模式体积。这种介电纳米激光器展现出约0.0005λ³（λ为自由空间波长）的超小模式体积，并在1纳米尺度上实现了极小特征尺寸。
图2：器件示意图。
该团队发现，介电领结纳米天线的电场奇点源自动量的发散。通过在实验中精确控制领结纳米天线顶端的间隙尺寸，他们成功实现了具有单纳米间隙的纳米天线结构。结合扭曲晶格纳米腔，进一步抑制了高辐射损耗，最终实现了具有原子级场定位的单一介电纳米激光器。
应用前景
这项研究展示了在激光设备中实现原子级场定位的能力，为超精密测量、超分辨成像、超高效计算与通信以及极端光场定位中的光-物质相互作用探索开辟了新路径。该研究表明，利用介电材料可以在没有欧姆损耗的情况下，实现类似等离激元模式的电场奇点，这为未来的激光技术提供了新的可能性。
北京大学的研究团队通过这一创新研究，不仅在理论上证明了介电结构突破衍射极限的可能性，更在实验中成功实现了这一目标，标志着光学领域的又一重大突破。这一研究成果有望在未来广泛应用于多个高科技领域，推动相关技术的发展和进步。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07674-9
