Financiran od strane Nacionalne zaklade za prirodne znanosti Kine (grant br. 12225402, 62321004, 92250302) i drugih grantova, istraživačka grupa prof. Renmina Maa na Institutu za fiziku kondenzirane tvari i fiziku materijala, Fakultet fizike, Sveučilište u Pekingu, predložila je teoriju probijanja granice optičke difrakcije u dielektričnim sustavima, pripremio optičku nano-šupljinu na atomskoj razini i realizirao dosad najmanji laser u volumenu moda, a izum singularnog dielektričnog nano-lasera pomiče karakteristične skala laserskog svjetlosnog polja do atomske razine. Rezultati istraživanja objavljeni su 17. srpnja 2024. (po pekinškom vremenu) pod naslovom "Singularni dielektrični nanolaser s lokalizacijom polja na atomskoj skali".
Od uvođenja lasera 1960. godine, lokalizacija optičkih polja u dimenzijama frekvencije, vremena, količine gibanja ili prostora radi postizanja lasera s višim performansama bila je temeljna pokretačka snaga za razvoj laserske fizike i uređaja, a novi visokoučinkoviti tako stvoreni laseri također su uvelike pridonijeli napretku moderne znanosti i tehnologije. Na primjer, ekstremna lokalizacija u frekvencijskoj dimenziji može dobiti ultrastabilne lasere za preciznu manipulaciju i mjerenje, čineći atomsko hlađenje i detekciju gravitacijskih valova mogućim (2001., 2017. Nobelova nagrada za fiziku); u vremenskoj dimenziji, ekstremnom lokalizacijom optičkog polja mogu se dobiti ultrabrzi atosekundni laseri (2023. Nobelova nagrada za fiziku), što daje mogućnost promatranja ultrabrzih gibanja čestica u mikrokozmosu. Ekstremna lokalizacija u dimenziji valnog vektora može dobiti ultrakolimirane lasere, koji se mogu primijeniti na međuzvjezdanu svemirsku optičku komunikaciju velike brzine; au prostornoj dimenziji, ekstremno lokalizirano svjetlosno polje može dobiti lasere u nanorazmjerima, za koje se očekuje da će donijeti nove mogućnosti za novu generaciju informacijske tehnologije i proučavanje interakcija svjetlosti i tvari pod lokalizacijom jakog svjetlosnog polja.
Na temelju Maxwellovih jednadžbi, Ma Renminova grupa predložila je teoriju za probijanje granice optičke difrakcije u dielektričnim sustavima i otkrila da singularnost električnog polja na vrhu dielektrične leptiraste nanoantene potječe od disperzije momenta: u blizini vrha, kutni zamah singulariteta je realan broj, a radijalni zamah je imaginaran broj, a blizu vrha, apsolutna vrijednost dva zamaha se raspršuje, ali ukupni zamah koji se sastoji od dva zamaha ostaje konačna mala količina zamaha određena dielektrična konstanta materijala određena konačnom malom vrijednošću. Ovaj mehanizam je sličan mehanizmu ograničenja svjetlosnog polja kod ekviparticionog načina pobude (u učinku ekviparticionirane pobude, njegov zamišljeni transverzalni moment uzrokuje povećanje stvarnog longitudinalnog momenta), ali bez ohmičkih gubitaka. Grupa kombinira dielektričnu nanoantenu u obliku leptira s beskonačnom singularnošću električnog polja s optičkom nanošupljinom u kutu kako bi konstruirala nanošupljinu singularnosti s volumenom moda koji probija granicu optičke difrakcije i priprema singularni dielektrični nanolaser sa značajkom na atomskoj razini scale in semiconductor multi-quantum-well gain material by the two-step method of etching-growth. Sustavna karakterizacija odnosa ulazno-izlazne snage lasera, varijacija širine linije pobude s ulaznom snagom, koherencija drugog reda i svojstva polarizacije laserskog izlaza potvrđuju da singularni dielektrični nanolaser ima svojstvo probijanja granice optičke difrakcije za pobuđivanje. Dielektrični nanolaser singularnosti ima prag ekscitacije od 26 kW cm{{10}}, faktor produkta ekscitacije od 13200, volumen moda od 0,0005 λ3, a njegovo svjetlosno polje je ekstremno komprimirano u središtu nanoantene. s poluvisinskom širinom od samo oko 1 nm.
Singularity dielektrični nano-laseri po prvi su put realizirali lasersku ekscitaciju u dielektričnom sustavu koja probija granicu optičke difrakcije, povećavajući karakterističnu skalu laserskog svjetlosnog polja na atomsku razinu, usporedivu s skalom koju postižu X-zrake. Očekuje se da će ovo otkriće pružiti nove alate za istraživanje u znanostima o materijalima i životu. U međuvremenu, u usporedbi s postojećim laserima, singularni dielektrični nanolaser ne samo da troši manje energije, već također ostvaruje veću brzinu modulacije i snažnije interakcije svjetlosti i tvari, za koje se očekuje da će generirati širok raspon primjena u poljima informacijske tehnologije, senzora i detekcije .
