研究背景
隨著光學(xué)科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家對(duì)將光場(chǎng)壓縮到原子尺度以直接觀察和操控分子級(jí)別的興趣日益增強(qiáng)。這一領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于光學(xué)衍射限制，它基于光子動(dòng)量的可實(shí)現(xiàn)性，從而限制了極端光場(chǎng)的深入研究。
傳統(tǒng)的介質(zhì)材料由于其較低的介電常數(shù)而難以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)限制的光場(chǎng)局部化，與此不同的是，等離子體結(jié)構(gòu)通過(guò)將光場(chǎng)與金屬中自由電子的振蕩耦合，提供了超越傳統(tǒng)介質(zhì)的場(chǎng)局域化能力。然而，等離子體技術(shù)受到其固有的歐姆損耗限制，這導(dǎo)致了熱量生成、功耗增加以及設(shè)備相干時(shí)間的有限性。
在過(guò)去，光學(xué)科學(xué)中的局部化研究主要集中在頻率、時(shí)間和動(dòng)量等維度上，以實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的高性能激光器。這些高性能激光器在精密儀器構(gòu)造、超分辨成像、超快速計(jì)算和通信等領(lǐng)域展示了顯著的應(yīng)用潛力。然而，直到最近，人們普遍認(rèn)為在介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)限制的光場(chǎng)局部化是不可能的。
為了解決這一問(wèn)題，北京大學(xué)馬仁敏等研究者在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”的最新論文。研究者們通過(guò)將介質(zhì)蝴蝶形納米天線(xiàn)集成到扭曲晶格納米腔的中心，創(chuàng)造性地結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，克服了光學(xué)衍射限制，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)納米激光器的亞波長(zhǎng)限制模體積，約為0.0005 λ3（其中λ為自由空間波長(zhǎng)）。
此外，通過(guò)精密的刻蝕和原子層沉積兩步工藝，研究者們成功制備出具有單納米間隙的介質(zhì)蝴蝶形納米天線(xiàn)，進(jìn)一步保證了激光器的高效性能。通過(guò)探索光場(chǎng)在原子尺度上的極端局部化能力，研究者們開(kāi)辟了一條通向更高性能光子學(xué)器件和應(yīng)用的道路，這將對(duì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出和實(shí)現(xiàn)了一種獨(dú)特的介質(zhì)納米激光器，通過(guò)將介質(zhì)蝴蝶形納米天線(xiàn)集成到扭曲晶格納米腔的中心。
（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)結(jié)合介質(zhì)蝴蝶形納米天線(xiàn)和扭曲晶格納米腔，成功實(shí)現(xiàn)了超越光學(xué)衍射限制的亞波長(zhǎng)限制模體積，約為0.0005 λ3（λ為自由空間波長(zhǎng)）。這一結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了極小的特征尺寸在1納米尺度上的優(yōu)異表現(xiàn)，還通過(guò)精確控制納米天線(xiàn)頂端的間隙大小，開(kāi)辟了在激光器設(shè)備中實(shí)現(xiàn)原子尺度場(chǎng)局域化的新途徑。
（3）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)蝴蝶形納米天線(xiàn)頂端的電場(chǎng)奇異性源于動(dòng)量的發(fā)散。在頂端附近，奇異性的角動(dòng)量分量表現(xiàn)為實(shí)數(shù)，而徑向分量為虛數(shù)，兩者的絕對(duì)值相等。這種機(jī)制類(lèi)似于等離子體模式，但無(wú)歐姆損耗的限制，其中一個(gè)動(dòng)量分量是虛數(shù)，對(duì)另一個(gè)動(dòng)量分量的增加作出貢獻(xiàn)。
（4）實(shí)驗(yàn)通過(guò)發(fā)展刻蝕和原子層沉積的兩步工藝，精確控制了蝴蝶形納米天線(xiàn)頂端的間隙大小，實(shí)現(xiàn)了單納米尺度的間隙。這一精度與扭曲晶格納米腔抑制高輻射損耗的結(jié)合，為亞波長(zhǎng)限制的奇異介質(zhì)納米激光器的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
圖文解讀
圖1：奇異介質(zhì)納米激光器中的電場(chǎng)無(wú)限奇點(diǎn)。
圖2：具有原子尺度間隙尺寸納米天線(xiàn)的奇異介質(zhì)納米激光器的制備。
圖3：?jiǎn)谓橘|(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(chǎng)。
總結(jié)展望
傳統(tǒng)上，衍射限制一直是限制光場(chǎng)局部化的基本障礙，尤其是在介質(zhì)材料中，其較低的介電常數(shù)限制了光場(chǎng)的極端壓縮。然而，本研究通過(guò)創(chuàng)新地將介質(zhì)蝴蝶形納米天線(xiàn)集成到扭曲晶格納米腔中，首次實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)限制的模體積。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)精確控制納米天線(xiàn)頂端的間隙大小，研究團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了單納米尺度的間隙，進(jìn)一步增強(qiáng)了電場(chǎng)的局部化效果。
這一研究開(kāi)辟了在介質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)極端光場(chǎng)局部化的新途徑，同時(shí)避免了等離子體結(jié)構(gòu)固有的歐姆損耗問(wèn)題。通過(guò)克服傳統(tǒng)介質(zhì)材料的局限性，例如較低的介電常數(shù)，研究人員展示了介質(zhì)納米激光器在超精密測(cè)量、超分辨率成像和超高效能光學(xué)通信方面的潛在應(yīng)用。這些成果不僅推動(dòng)了光學(xué)領(lǐng)域?qū)鈭?chǎng)局部化極限的探索，還為未來(lái)開(kāi)發(fā)更高性能激光器提供了新的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)基礎(chǔ)。
原文詳情：
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
