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(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)技術(shù)的進(jìn)步作出了深刻的貢獻(xiàn)。

例如，光場在頻率維度上的極端定位導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)直的激光器，適用于遠(yuǎn)距離星際空間通信。

在空間維度上，場定位導(dǎo)致了微尺度激光器的發(fā)展，其研究可以追溯到20世紀(jì)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(yīng)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(dǎo)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(xué)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(rèn)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(dǎo)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(yīng)，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(qiáng)。

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(dǎo)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(jī)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?fù)潆姾膳c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(dǎo)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(jī)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(xiàn)】

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