گروه تحقیقاتی پروفسور رنمین ما در مؤسسه فیزیک مواد متراکم و فیزیک مواد، دانشکده فیزیک، دانشگاه پکن، نظریهای را ارائه کرد که توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (شمارههای گرنت 12225402، 62321004، 92250302) و سایر کمکهای مالی تأمین شده است. با شکستن حد پراش نوری در سیستم های دی الکتریک، یک نانو حفره نوری در مقیاس اتمی تهیه کرد و کوچکترین لیزر در حجم حالت تا کنون را به دست آورد و اختراع نانولیزر دی الکتریک تکینگی ویژگی را هل داد. مقیاس میدان نور لیزر تا سطح اتمی. نتایج تحقیق در 17 ژوئیه 2024 (به وقت پکن) تحت عنوان "نانو لیزر دی الکتریک منفرد با محلی سازی میدان اتمی" منتشر شد.
از زمان معرفی لیزرها در سال 1960، بومی سازی میدان های نوری در ابعاد فرکانس، زمان، تکانه یا فضا برای دستیابی به لیزرهای با کارایی بالاتر، نیروی محرکه اصلی برای توسعه فیزیک لیزر و دستگاه ها، و جدید با کارایی بالا بوده است. لیزرهایی که از این طریق تولید می شوند نیز کمک زیادی به پیشرفت علم و فناوری مدرن کرده اند. برای مثال، مکانیابی شدید در بعد فرکانس میتواند لیزرهای فوقپایدار را برای دستکاری و اندازهگیری دقیق به دست آورد، که خنکسازی اتمی و تشخیص امواج گرانشی را ممکن میسازد (جایزه نوبل فیزیک 2001، 2017). در بعد زمانی، محلی سازی شدید میدان نوری می تواند لیزرهای آتوثانیه ای فوق سریع (جایزه نوبل فیزیک 2023) را به دست آورد که امکان مشاهده حرکات فوق سریع ذرات را در کیهان کوچک فراهم می کند. مکان یابی شدید در بعد بردار موج می تواند لیزرهای فوق الذکر را به دست آورد که می تواند برای ارتباطات نوری پرسرعت فضای بین ستاره ای در فواصل دور اعمال شود. و در بعد فضایی، میدان نوری موضعی شدید میتواند لیزرهای نانومقیاس را به دست آورد که انتظار میرود فرصتهای جدیدی را برای نسل جدید فناوری اطلاعات و مطالعه برهمکنشهای نور-ماده تحت محلیسازی میدان نور قوی به ارمغان آورد.
بر اساس معادلات ماکسول، گروه Ma Renmin نظریه ای برای شکستن حد پراش نوری در سیستم های دی الکتریک ارائه کردند و دریافتند که تکینگی میدان الکتریکی در راس نانوآنتن پروانه دی الکتریک از پراکندگی تکانه سرچشمه می گیرد: نزدیک راس، زاویه ای. تکانه تکینگی یک عدد واقعی است، و تکانه شعاعی یک عدد خیالی است، و در نزدیکی راس، قدر مطلق دو تکانه پراکنده می شود، اما تکانه کل متشکل از دو تکانه مقدار محدودی از تکانه باقی می ماند که توسط آن تعیین می شود. ثابت دی الکتریک مواد با یک مقدار کوچک محدود تعیین می شود. این مکانیسم مشابه مکانیسم محصور شدن میدان نوری حالت تحریک همسان است (در اثر تحریک همسان، تکانه عرضی خیالی آن باعث افزایش تکانه طولی واقعی می شود)، اما بدون تلفات اهمی. این گروه یک نانوآنتن پروانه ای شکل دی الکتریک را با تکینگی بی نهایت میدان الکتریکی با یک نانوحفره نوری در گوشه ای ترکیب می کند تا یک نانوحفره تکینگی با حجم حالت ایجاد کند که از حد پراش نوری می شکند و یک نانولیزر دی الکتریک تکینگی با یک ویژگی نانولیزر اتمی آماده می کند. مقیاس در مواد نیمه هادی چند چاه کوانتومی با استفاده از روش دو مرحله ای اچینگ-رشد. توصیف سیستماتیک رابطه توان ورودی-خروجی لیزر، تغییر پهنای خط تحریک با توان ورودی، انسجام مرتبه دوم و خواص قطبش خروجی لیزر تایید میکند که نانولیزر دی الکتریک تکینگی دارای خاصیت شکستن حد پراش نوری برای تحریک است. نانولیزر دی الکتریک تکینگی دارای آستانه تحریک 26 کیلووات سانتی متر{10}}، ضریب محصول تحریک 13200، حجم حالت 0.0005 λ3 است و میدان نور آن به شدت در مرکز نانوآنتن فشرده شده است. با عرض نیم ارتفاع تنها حدود 1 نانومتر.
نانو لیزرهای دی الکتریک تکینگی برای اولین بار تحریک لیزری را در یک سیستم دی الکتریک که حد پراش نوری را می شکند و مقیاس مشخصه میدان نور لیزر را به سطح اتمی ارتقا می دهد، قابل مقایسه با مقیاسی است که پرتوهای ایکس به دست می آورند. انتظار می رود این پیشرفت ابزارهای جدیدی را برای تحقیق در علوم مواد و زیست فراهم کند. در همین حال، در مقایسه با لیزرهای موجود، نانولیزر دی الکتریک تکینگی نه تنها انرژی کمتری مصرف میکند، بلکه سرعت مدولاسیون سریعتر و برهمکنشهای قویتر نور-ماده را نیز درک میکند، که انتظار میرود طیف گستردهای از کاربردها را در زمینههای فناوری اطلاعات، سنجش و تشخیص ایجاد کند. .
