当前位置:首页 >> 学术资讯 >> 干货分享

我国学者实现原子尺度奇点介电纳米激光

2025/06/02

在国家自然科学基金项目(批准号:12225402、62321004、92250302)等资助下,北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所马仁敏教授研究组提出了在电介质体系中突破光学衍射极限的理论,制备了原子尺度光学纳腔,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光场特征尺度推进至原子级。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日发表在《自然》(Nature)杂志上,文章链接:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07674-9。

  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极大地促进了现代科学与技术的进步。例如,在频率维度的极端局域化,可以得到用来进行精密操控和测量的超稳定激光,使原子冷却、引力波探测成为可能(2001,2017 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;在波矢维度的极端局域化,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。

  马仁敏课题组基于麦克斯韦方程提出了在电介质体系中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。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),但却没有欧姆损耗。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。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电介质体系中实现了突破光学衍射极限的激光激射,将激光光场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。同时,相较于已有激光,奇点介电纳米激光不仅能耗更低,而且能够实现更快的调制速度和更强的光与物质相互作用,有望在信息技术、传感探测等领域产生广泛应用。

我国学者实现原子尺度奇点介电纳米激光

图 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


版权声明:
文章来源国家自然科学基金委员会,分享只为学术交流,如涉及侵权问题请联系我们,我们将及时修改或删除。

相关学术资讯
近期会议

2026年矿产资源、勘探技术与地球科学国际会议(ICRTS 2026)(2026-02-28)

2026年能源、电力与可持续发展国际学术会议(EESD 2026)(2026-03-06)

第三届光电信息与光学工程国际学术会议(OIOE 2026)(2026-03-06)

第九届大数据与应用统计国际学术研讨会(ISBDAS 2026)(2026-03-06)

第五届网络安全、人工智能与数字经济国际学术会议(CSAIDE 2026)(2026-03-06)

第五届材料工程与应用力学国际学术会议(ICMEAAE 2026)(2026-03-06)

2026年社会心理学、行为科学与教育国际会议(SPBSE 2026)(2026-03-09)

2026年智慧交通与检测技术国际会议(ITDT 2026)(2026-03-25)

2026年第六届智能机器人系统国际会议(ISoIRS 2026)(2026-03-27)

2026年第五届算法、计算和机器学习国际会议(CACML 2026)(2026-03-27)

第七届先进功能材料国际研讨会 (CAFM 2026)(2026-8-7)

2026地质、测绘与地理信息国际会议(ICGSGI 2026)(2026-2-13)

2026年桥梁工程,交通运输与土木国际会议(BETCE 2026)(2026-4-8)

2026年城市研究与园林设计国际会议(ICURLD 2026)(2026-3-25)

2026年智能信息处理与机器学习国际学术会议(IIPML 2026)(2026-4-11)

2026年低碳发展与城市工程国际会议(ICLCDUE 2026)(2026-3-11)

2026年大数据、软件工程与网络应用国际会议(BDSENA 2026)(2026-3-11)

2026年电力系统与通信工程国际会议(ICWCPS 2026)(2026-5-8)

2026年土木与水利工程国际会议 (IACCHE 2026)(2026-3-25)

2026智慧能源、水动力学与电力工程国际会议(ICSEHPE 2026)(2026-2-11)

小贴士:学术会议云是学术会议查询检索的第三方门户网站。它是会议组织发布会议信息、众多学术爱好者参加会议、找会议的双向交流平台。它可提供国内外学术会议信息预报、分类检索、在线报名、论文征集、资料发布以及了解学术资讯,查找会服机构等服务,支持PC、微信、APP,三媒联动。