北京大学，今日重磅Nature！

将光场压缩到原子尺度，为直接观察单个分子开辟了可能性，为物理和生命科学提供了创新的成像和研究工具。然而，衍射极限对光场可以被压缩的程度施加了一个基本的限制，这是基于可实现的光子动量。

与介电结构相比，等离子体通过将光场与金属中自由电子的振荡耦合，提供了优越的场约束。然而，等离子体存在固有的欧姆损耗，导致热的产生、功耗的增加和等离子体器件相干时间的限制。

在此，来自北京大学的马仁敏等研究者提出并演示了奇异介质纳米激光器，其模式体积打破了光学衍射极限。相关论文以题为“Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”于2024年07月17日发表在Nature上。

自1960年激光器发明以来，实现光场在频率、时间、动量或空间等维度上的局部化以实现更高性能的激光器一直是激光物理和器件发展的核心驱动力。这些高性能激光器的出现对现代科学技术的进步作出了深刻的贡献。

例如，光场在频率维度上的极端定位导致了频率稳定的激光器，这是构建精确干涉设备所必需的，使引力波探测成为可能。

在时间维度上，光场的极端局域化导致了超快阿秒激光器的发展，使得在微观世界中观测粒子的超快运动成为可能。在动量维度上，极局域化的光场产生高度准直的激光器，适用于远距离星际空间通信。

在空间维度上，场定位导致了微尺度激光器的发展，其研究可以追溯到20世纪90年代。在探索空间场定位的极限及其在各个领域的实际应用的推动下，不断努力实现更小的激光器至今仍在继续。

动量和位置之间的不确定关系决定了光场在空间上的定位程度。为了构造极小的模体积，基本的障碍在于光带半导体材料的介电常数通常低于10。根据不确定关系，在如此小的介电常数下，研究者只能将光场定位到数百纳米的尺度。

通过将光场与金属中自由电子的振荡耦合，可以实现等离子体场约束。2009年，突破光学衍射极限的等离子体纳米激光器被实验证明。在过去的十年中，等离子体纳米激光器已经被证明具有极小的体积，超快的调制速度和极低的能量消耗。

然而，等离子体场约束不可避免地伴随着固有的欧姆损失。在电介质中实现亚衍射限制光场约束的理想场景，长期以来被认为是不可能的，

但这种看法最近发生了变化。全波模拟表明，将介电领结纳米天线集成到光子晶体结构中可以导致亚衍射限制模式体积。这种结构的独特性归因于自相似边界条件效应，将介电领结纳米天线视为不断减小的介电-空气-介电，空气-介电-空气自相似结构，其中边界条件有助于纳米天线尖端的场增强。

然而，对于该结构中衍射极限的突破，目前还没有一个基本的解释。此外，相关的实验研究目前仅限于无源介质腔的构建。

在此，研究者展示了一个具有亚衍射限制模式体积的介电纳米激光器。研究者的方法是在扭曲晶格纳米腔内集成一个介电领结纳米天线来构造这个装置。

研究者发现介电领结纳米天线尖端处的电场奇点源于动量发散，导致电场高度集中(图1)。在尖端附近，奇点的角动量分量为实数，而径向分量为虚数，两者大小相等。在靠近顶点处，这两个动量的绝对值偏离(图1a,b)。

值得注意的是，由这两个动量组成的总动量仍然是由材料的介电常数决定的一个有限的小值。这种机制让人想起等离子体模式，但没有欧姆损失，其中一个动量是虚的，有助于增加其他动量分量(图1c,d)。

在实验中，研究者通过蚀刻和原子层沉积两步工艺，精心控制领结纳米天线尖端的间隙大小。这种精度使研究者能够实现具有单纳米间隙尺寸的纳米天线结构。

通过将纳米天线与扭曲晶格纳米腔相结合来抑制其高辐射损耗，研究者成功地实现了一个特征尺寸为1nm的亚衍射限制奇异介质纳米激光器。

图1 奇异介质纳米激光器中的电场无限奇点。

图2 具有原子尺度间隙尺寸纳米天线的奇异介质纳米激光器的制备。

图3 单介质纳米激光器的激光特性。

图4 奇异介质纳米激光器的模式特性。

图5 非积分拓扑电荷与原子尺度定域光场。

综上所述，研究者提出并演示了一种具有亚衍射限制模式体积的奇异介质纳米激光器。通过将介电领结纳米天线集成到扭曲晶格纳米腔的中心，该器件在1纳米尺度上实现了前所未有的小特征尺寸。制造过程包括蚀刻和原子层沉积两步方法，以产生具有单纳米间隙的介电领结纳米天线。

从麦克斯韦方程推导出的纳米天线在其顶端支持无限奇异电场的独特能力，使原子尺度上的极端场定位成为可能。这项研究揭示了这种现象背后的机制，其中一个动量分量是虚构的，类似于等离子体模式，但没有金属损失。

实验控制领结尖端的间隙尺寸，结合扭曲晶格纳米腔来抑制辐射损失，结果实现了亚衍射限制的奇异介质纳米激光器，具有超精密测量，超分辨率成像，超高效计算和通信以及探索极端光场定位中的光-物质相互作用的巨大潜力。

【参考文献】

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

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07674-9