在此提出并展示了单介电纳米激光器，其模式体积突破了光学衍射极限。从麦克斯韦方程推导，我们得知介电领结纳米天线中维持的电场奇异性源于动量发散。单个介电纳米激光器是通过将介电领结纳米天线集成到扭曲晶格纳米腔的中心而构建的。协同集成超越了衍射极限，使单个介电纳米激光器可以在一定程度上完成约0.0005 λ 3（λ，自由空间波长）的超小模式体积，以及1纳米级的极小特征尺寸。为制造具有单纳米间隙的所需介电领结纳米天线，他们开发了一种涉及蚀刻和原子沉积的两步工艺。该研究展示了在激光设备中实现原子级场定位的能力，为超精密测量、超分辨率成像、超高效计算和通信以及在极端光场定位领域探索光与物质相互作用铺平了道路。相关研究成果以题为“Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”发表在最新一期《Nature》上。
早在2023年12月，北京大学马仁敏教授课题组成功实现了莫尔相干纳米激光阵列，突破了纳米激光仅能实现单个或固定阵列相干激射的限制，展示了纳米激光能够以“P”、“K”、“U”和“中”、“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。研究成果以“相位同步可重构莫尔纳米激光阵列”（Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronizatiosn）为题在《Nature》杂志上发表。《Nature》同期刊发了以“转角系统使纳米激光共同闪耀”（Twisted system makes nanolasers shine together）为题的专题评述文章，认为该工作为探索更小、更智能、更强大的激光光源开辟了道路（open an avenue for exploring smaller, smarter and more powerful laser sources）。栾弘义、欧阳云浩、赵紫薇为共同第一作者。
无限奇点的概念是打破所设计纳米激光器衍射极限的核心。由于动量的发散，介质领结纳米天线在其顶点产生电场奇点，由此产生高度集中的电场。这种奇点源于纳米天线顶点附近波矢量的真实和虚分量的相互作用。具体来说，径向波矢量分量变为虚部，放大了角度分量，而角分量仍然是真实的。这种机制让人联想到等离子体模式，但没有相关的损耗，可实现极端的场定位。图1图示了介电奇异模态的示意图和色散关系，说明了径向波矢量和角波矢量之间的关系。同时比较金属-介电界面支持的等离子体模式的色散关系，突出了欧姆损耗导致的固有限制。
为了实现所需的场定位，研究人员开发了一种具有单纳米间隙的介质领结纳米天线的精确制造方法。该过程涉及电子束光刻、电感耦合等离子体蚀刻和二氧化钛（TiO 2）的原子层沉积。ALD方法允许TiO2的适形生长，精确控制间隙尺寸并能够创建间隙小至一纳米的纳米结构。图2a是具有原子尺度场定位的纳米激光器原理图。纳米激光器的SEM图像如图2b所示。图2c-h是连续的SEM图像，显示通过ALD逐渐减小间隙尺寸，最终形成小至1.7nm和3.7nm的间隙。
奇异介电纳米激光器的激光特性通过种种实验评估得到验证。该研究考察了光-光曲线中的非线性相变、线宽-收窄效应和二阶强度相关函数（g（2）（τ））。这些测量证实了从自发发射到受激发射的转变，腔模线宽在激光阈值以上的快速减小，以及发射光子在阈值以上的相干性。图3a是不同泵浦强度下的归一化光谱，显示单模激光。光-光曲线和线宽随泵浦功率的变化，说明了相变（图3b）。激光阈值附近的发射光谱，表明线f描绘了二阶强度相关函数（g（2）（τ）），突出了从超泊松统计到泊松统计的转变。
通过实验和模拟分析，进一步探索了奇异介电纳米激光器的激光模式特性。研究了发射模式、偏振分辨谱和电场分布，以了解场定位和模体积。该器件的超小模体积约为0.0005λ³，明显小于光学衍射极限。
图4a、4b是实验和模拟的激光发射模式，显示出非常相似的相似性。模拟电场模式（图4c，d），说明强场定位。偏振分辨激光发射光谱和强度与偏振角的函数关系（图4e，f），与模拟的偏振方向一致。从仿真中得出的电场分量的相位（图5a，b），显示由于介电常数不连续性而导致的相位跳跃。沿环绕顶点的圆的相变（图5c），满足周期性边界条件。模拟强度剖面（图5d，e），突出原子尺度场定位。动量空间中的强度分布（图5f），对应于宽波矢量分布。
本文提出并演示了一种具有亚衍射极限模式体积的奇异介电纳米激光器。通过将介电领结纳米天线集成到扭曲晶格纳米腔的中心，该设备实现了前所未有的1纳米级小特征尺寸。制作的完整过程涉及两步蚀刻和原子层沉积方法，以创建具有单纳米间隙的介电领结纳米天线。纳米天线的独特能力是支持其顶点无限奇异的电场，这源于麦克斯韦方程，以此来实现了原子级的极端场局部化。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数，类似于等离子体模式，但没有金属损耗。通过实验控制蝴蝶结尖端的间隙大小，结合扭曲晶格纳米腔来抑制辐射损耗，实现了亚衍射限制的奇异介电纳米激光器，它在超精密测量、超分辨率成像、超高效计算和通信，以及探索极端光场局部化中的光物质相互作用方面具有巨大潜力。
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