Financé par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subventions n° 12225402, 62321004, 92250302) et d'autres subventions, le groupe de recherche du professeur Renmin Ma à l'Institut de physique de la matière condensée et de physique des matériaux de l'École de physique de l'Université de Pékin a proposé une théorie visant à briser la limite de la diffraction optique dans les systèmes diélectriques, a préparé une nanocavité optique à l'échelle atomique et a réalisé le plus petit laser dans le volume de mode jusqu'à présent, et l'invention du nanolaser diélectrique à singularité repousse l'échelle caractéristique du champ lumineux laser jusqu'au niveau atomique. Les résultats de la recherche ont été publiés le 17 juillet 2024 (heure de Pékin) sous le titre « Nanolaser diélectrique singulier avec localisation de champ à l'échelle atomique ».
Depuis l'introduction des lasers en 1960, la localisation des champs optiques dans les dimensions de fréquence, de temps, d'impulsion ou d'espace pour obtenir des lasers plus performants a été le moteur principal du développement de la physique et des dispositifs laser, et les nouveaux lasers hautes performances ainsi engendrés ont également grandement contribué au progrès de la science et de la technologie modernes. Par exemple, la localisation extrême dans la dimension de fréquence peut obtenir des lasers ultra-stables pour la manipulation et la mesure de précision, rendant possible le refroidissement atomique et la détection des ondes gravitationnelles (prix Nobel de physique 2001, 2017) ; dans la dimension temporelle, la localisation extrême du champ optique peut obtenir des lasers attosecondes ultra-rapides (prix Nobel de physique 2023), ce qui offre la possibilité d'observer des mouvements ultra-rapides de particules dans le microcosme. La localisation extrême dans la dimension du vecteur d'onde peut obtenir des lasers ultra-collimatés, qui peuvent être appliqués à la communication optique à grande vitesse dans l'espace interstellaire à longue distance ; et dans la dimension spatiale, le champ lumineux localisé extrême peut obtenir des lasers à l'échelle nanométrique, ce qui devrait apporter de nouvelles opportunités pour la nouvelle génération de technologies de l'information et l'étude des interactions lumière-matière sous la localisation du champ lumineux fort.
Français Sur la base des équations de Maxwell, le groupe de Ma Renmin a proposé une théorie pour dépasser la limite de diffraction optique dans les systèmes diélectriques et a découvert que la singularité du champ électrique au sommet de la nanoantenne papillon diélectrique provient de la dispersion de l'impulsion : près du sommet, le moment angulaire de la singularité est un nombre réel et l'impulsion radiale est un nombre imaginaire, et près du sommet, la valeur absolue des deux impulsions se disperse, mais l'impulsion totale constituée des deux impulsions reste une petite quantité finie d'impulsion déterminée par la constante diélectrique du matériau déterminée par une petite valeur finie. Ce mécanisme est similaire au mécanisme de confinement du champ lumineux du mode d'excitation équipartitionné (dans l'effet d'excitation équipartitionné, son moment transversal imaginaire provoque l'augmentation du moment longitudinal réel), mais sans les pertes ohmiques. Le groupe combine une nanoantenne diélectrique en forme de papillon avec une singularité infinie de champ électrique avec une nanocavité optique de coin pour construire une nanocavité de singularité avec un volume de mode qui dépasse la limite de diffraction optique, et prépare un nanolaser diélectrique de singularité avec une échelle de caractéristiques de niveau atomique dans un matériau à gain multipuits quantiques semi-conducteur par la méthode de gravure-croissance en deux étapes. La caractérisation systématique de la relation entre la puissance d'entrée et de sortie du laser, la variation de la largeur de ligne d'excitation avec la puissance d'entrée, la cohérence du second ordre et les propriétés de polarisation de sortie du laser confirment que le nanolaser diélectrique de singularité a la propriété de dépasser la limite de diffraction optique pour l'excitation. Le nanolaser diélectrique à singularité a un seuil d'excitation de 26 kW cm{{10}}, un facteur de produit d'excitation de 13200, un volume de mode de 0,0005 λ3, et son champ lumineux est extrêmement comprimé au centre de la nanoantenne avec une largeur à mi-hauteur d'environ 1 nm seulement.
Les nanolasers diélectriques à singularité ont pour la première fois réalisé une excitation laser dans un système diélectrique qui brise la limite de diffraction optique, faisant progresser l'échelle caractéristique du champ lumineux laser au niveau atomique, comparable à l'échelle atteinte par les rayons X. Cette avancée devrait fournir de nouveaux outils pour la recherche dans les sciences des matériaux et de la vie. Parallèlement, par rapport aux lasers existants, le nanolaser diélectrique à singularité consomme non seulement moins d'énergie, mais réalise également une vitesse de modulation plus rapide et des interactions lumière-matière plus fortes, ce qui devrait générer une large gamme d'applications dans les domaines des technologies de l'information, de la détection et de la détection.
