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。
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
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。
-
2026年6月优质国际学术会议推荐 315
-
2026年智慧教育与数据挖掘国际学术 112
-
2026年第17届机械与航空航天工程 344
-
2026资源、化学化工与应用材料国际 1928
-
2026年图像处理与数字创意设计国际 1747
-
2026年机械工程,新能源与电气技术 6209
-
2026年材料科学、低碳技术与动力工 1918
-
中国环境科学学会 2026 年科学技 05-19
-
2026年环境工程、生态修复与资源循 05-19
-
2026生物化工、功能材料与活性包装 05-19
-
2026智慧农业、节水灌溉与环境监测 05-19
-
2026电力系统、输配电与智慧城市国 05-19
-
2026道路工程、气象灾害与路面预警 05-19
-
2026船舶工程、水动力学与数值仿真 05-19
-
2026数字治理、电子政务与公共服务 05-19
-
中国科协发布2025年《重要学术12
-
2026年新锐分区(原中科院期刊2595
-
2025年两院院士增选有效候选人4402
-
2025最新JCR分区及影响因子12342
-
好学术:科研网址导航|学术头条分5673
-
2025年国际期刊预警名单发布!5837
-
2025年中科院期刊分区表重磅发20812
-
吉林大学校长张希:学术会议中的提6954
-
二维超导迈斯纳效应探测研究获进展04-29
-
研究发现笼目超导体中多重范霍夫奇04-29
-
二氧化碳加氢制高碳烯烃与航煤馏分04-29
-
靶向特定蛋白互作界面抑制乙肝病毒04-29
-
研究揭示内源信使调控膜损伤与细胞04-29
-
科学家绘制大脑星形胶质细胞转录因04-29
-
上海交大Bio-X研究院石毅与合04-29
-
岭南师范学院 8652

-
武汉依埃斯威广告公司 23344

-
陕西香菊制药 18328

-
西北工业大学 2540

-
中国光电产业平台 8315

-
香港国际学术研究协会 25375

-
广州找塑料网络科技有限公司 8603

-
自家人家政有限公司 18402

-
武汉理工大学 24163

-
北京正清然科技有限公司 18460

-
中国计算机产业联合协会 18483

-
中国农业科学院农业资源与农业区划 21280

-
中国国际科技会议中心 21578

-
北京海逸星空会展服务有限公司 18174

-
徽州文化园---华商山庄 23335

-
中国科学院山西煤炭化学研究所 8273

-
复旦大学附属眼耳鼻喉科医院 8342

-
江苏亨威实业集团 21386

-
深圳中腾建业建设投资有限公司 8259

-
中国科学院青岛生物能源与过程研究 18391





















252








































