研究背景

随着光学科学与技术的进步，科学家对将光场压缩到原子尺度以直接观察和操控分子级别的兴趣日益增强。这一领域的关键挑战在于光学衍射限制，它基于光子动量的可实现性，从而限制了极端光场的深入研究。

传统的介质材料由于其较低的介电常数而难以实现亚波长限制的光场局部化，与此不同的是，等离子体结构通过将光场与金属中自由电子的振荡耦合，提供了超越传统介质的场局域化能力。然而，等离子体技术受到其固有的欧姆损耗限制，这导致了热量生成、功耗增加以及设备相干时间的有限性。

在过去，光学科学中的局部化研究主要集中在频率、时间和动量等维度上，以实现不同领域的高性能激光器。这些高性能激光器在精密仪器构造、超分辨成像、超快速计算和通信等领域展示了显著的应用潜力。然而，直到最近，人们普遍认为在介质中实现亚波长限制的光场局部化是不可能的。

为了解决这一问题，北京大学马仁敏等研究者在“Nature”期刊上发表了题为“Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization”的最新论文。研究者们通过将介质蝴蝶形纳米天线集成到扭曲晶格纳米腔的中心，创造性地结合了两者的优势，克服了光学衍射限制，实现了介质纳米激光器的亚波长限制模体积，约为0.0005 λ³（其中λ为自由空间波长）。

此外，通过精密的刻蚀和原子层沉积两步工艺，研究者们成功制备出具有单纳米间隙的介质蝴蝶形纳米天线，进一步保证了激光器的高效性能。通过探索光场在原子尺度上的极端局部化能力，研究者们开辟了一条通向更高性能光子学器件和应用的道路，这将对科学技术的进步产生深远影响。    

研究亮点

（1）实验首次提出和实现了一种独特的介质纳米激光器，通过将介质蝴蝶形纳米天线集成到扭曲晶格纳米腔的中心。

（2）实验通过结合介质蝴蝶形纳米天线和扭曲晶格纳米腔，成功实现了超越光学衍射限制的亚波长限制模体积，约为0.0005 λ³（λ为自由空间波长）。这一结构不仅实现了极小的特征尺寸在1纳米尺度上的优异表现，还通过精确控制纳米天线顶端的间隙大小，开辟了在激光器设备中实现原子尺度场局域化的新途径。

（3）实验中发现，介质蝴蝶形纳米天线顶端的电场奇异性源于动量的发散。在顶端附近，奇异性的角动量分量表现为实数，而径向分量为虚数，两者的绝对值相等。这种机制类似于等离子体模式，但无欧姆损耗的限制，其中一个动量分量是虚数，对另一个动量分量的增加作出贡献。    

（4）实验通过发展刻蚀和原子层沉积的两步工艺，精确控制了蝴蝶形纳米天线顶端的间隙大小，实现了单纳米尺度的间隙。这一精度与扭曲晶格纳米腔抑制高辐射损耗的结合，为亚波长限制的奇异介质纳米激光器的实现奠定了基础。

图文解读

图1：奇异介质纳米激光器中的电场无限奇点。

图2：具有原子尺度间隙尺寸纳米天线的奇异介质纳米激光器的制备。

    图3：单介质纳米激光器的激光特性。 

图4：奇异介质纳米激光器的模式特性。

图5：非积分拓扑电荷与原子尺度定域光场。

总结展望

传统上，衍射限制一直是限制光场局部化的基本障碍，尤其是在介质材料中，其较低的介电常数限制了光场的极端压缩。然而，本研究通过创新地将介质蝴蝶形纳米天线集成到扭曲晶格纳米腔中，首次实现了亚波长限制的模体积。在实验中，通过精确控制纳米天线顶端的间隙大小，研究团队成功地实现了单纳米尺度的间隙，进一步增强了电场的局部化效果。

这一研究开辟了在介质材料中实现极端光场局部化的新途径，同时避免了等离子体结构固有的欧姆损耗问题。通过克服传统介质材料的局限性，例如较低的介电常数，研究人员展示了介质纳米激光器在超精密测量、超分辨率成像和超高效能光学通信方面的潜在应用。这些成果不仅推动了光学领域对光场局部化极限的探索，还为未来开发更高性能激光器提供了新的设计思路和技术基础。

原文详情：

Ouyang, YH., Luan, HY., Zhao, ZW. et al. Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization. Nature (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07674-9