文章来源：爱光学公众号

压缩到原子尺度的光场为直接观测单分子开辟了可能性，然而衍射极限限制了光场压缩程度。虽然通过将光场与金属中自由电子的振荡耦合，可以实现等离子体场约束，突破光学衍射极限。但等离子体场约束不可避免地会带来固有的欧姆损耗。

北京大学马仁敏团队通过在扭曲晶格纳米腔的中心集成介质领结纳米天线构建了奇点介质纳米激光器，这种协同集成超越了衍射极限，使得单一介质纳米激光器的模体积达到了约0.0005λ³。该研究首次将激光特征尺度推进至原子级，达到与X射线相当的尺度，成果以“为Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”发表在Nature上。

图1 激光微型化的重要节点

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。由于动量发散的原因，介电领结纳米天线在其顶点尖端处产生电场奇点，从而产生高度集中的电场。这种奇点源于尖端处大小相等的角动量分量和径向分量，前者为实数，后者为虚数。这种机制让人联想到等离子体模式，但没有欧姆损耗。具体来讲，径向波矢量分量变为虚部，放大了波矢量分量。图2展示了奇点介质纳米激光器中的电场无限奇点，表明了径向波矢量和角波矢量之间的关系。

图2 奇点介电纳米激光器中的电场无限奇点

基于上述理论，研究人员设计了一个如3所示的电介质蝴蝶结纳米天线嵌入到扭曲晶格纳米腔中，以达到突破电介质结构衍射极限的目的。该纳米天线由一对彼此相邻的三角形电介质纳米粒子组成，它们的尖端相互指向。由于纳米天线不能独立形成子衍射极限模式，因此采用扭曲晶格纳米腔有效地将光场限制在领结纳米天线所在的纳米腔中心区域的衍射极限点上。与此同时，采用领结纳米天线能够进一步限制其顶端的光场强度。不同元件的协同组合不仅实现了极小特征尺寸的亚衍射极限纳米腔，而且赋予了继承自扭曲晶格纳米腔的高质量因子。

图3 具有原子级间隙尺寸纳米天线的奇点介质纳米激光器的制备

为了制造介电领结纳米天线，研究人员提出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。该过程主要涉及蚀刻和原子层沉积两步工艺。首先利用电子束光刻将预定义的图案转移到电子束抗蚀剂上，然后采用电感耦合等离子体蚀刻在包含多个量子阱的半导体膜内形成所需的纳米结构。其厚度为200 nm，两个晶格之间存在3.89°的扭曲角，整个腔的边长约为4 µm，领结间隙通常约为20 nm。在此之后，他们使用原子层沉积方法在制造的器件上实现了二氧化钛(TiO2)薄膜的保形生长，实现了对间隙尺寸的精确控制。扫描电子显微镜图像验证了该纳米结构中精确和可控地精准调节间隙大小的非凡能力。

图4 奇点介质纳米激光器制备过程

最后，研究人员在室温下通过光泵浦奇点介质纳米激光器表征了其激光特性。他们考察了激光器的光-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。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。单介质纳米激光器在不同泵浦强度下的归一化光谱如图5a所示，随着泵浦功率的增加，单模激光出现，此时间隙尺寸为1 nm。图5b展示了相应的光-光曲线和腔模线宽演化曲线。s型对数尺度光-光曲线表示从自发发射到受激发射的相变。图5c线宽变窄效应，以及在激光阈值以外，激光发射优于自发发射。图5d-5f描绘了二阶强度相关函数，突出了从超泊松统计到泊松统计的转变。研究人员通过实验和模拟分析，进一步探索了奇点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5 单介质纳米激光器的激光特性

该研究从麦克斯韦方程推导出的纳米天线在其顶端支持无限奇点电场的独特能力，使原子尺度上的极端场定位成为可能。研究人员通过控制领结尖端的间隙尺寸，结合扭曲晶格纳米腔来抑制辐射损失，实现了亚衍射限制的奇点介质纳米激光器。其在具有超精密测量、超分辨率成像、超高效计算和通信以及探索极端光场定位中的光-物质相互作用的巨大潜力。

Nature审稿人高度评价了该工作的创新性与重要性，认为是开创性的（groundbreaking），在理论上透彻而完整地（thorough and complete）阐明了介电质体系为何能够突破光学衍射极限，实现了首个（first demonstration）突破光学衍射极限的介电纳米激光。

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