بتمويل من مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية الصينية (أرقام المنح 12225402، 62321004، 92250302) ومنح أخرى، اقترحت مجموعة أبحاث البروفيسور رينمين ما في معهد فيزياء المواد المكثفة وفيزياء المواد، كلية الفيزياء، جامعة بكين، نظرية لكسر حد الحيود الضوئي في الأنظمة العازلة، وأعدت تجويفًا نانويًا ضوئيًا على نطاق ذري، وأدركت أصغر ليزر في حجم الوضع حتى الآن، واختراع الليزر النانوي العازل المفرد يدفع المقياس المميز لحقل ضوء الليزر إلى المستوى الذري. نُشرت نتائج البحث في 17 يوليو 2024 (بتوقيت بكين) تحت عنوان "نانو ليزر عازل مفرد مع توطين مجال على نطاق ذري".
منذ إدخال الليزر في عام 1960، كان تحديد موقع المجالات البصرية في أبعاد التردد أو الزمن أو الزخم أو الفضاء لتحقيق ليزر أعلى أداءً هو القوة الدافعة الأساسية لتطوير فيزياء الليزر والأجهزة، كما ساهمت الليزرات الجديدة عالية الأداء الناتجة عن ذلك بشكل كبير في تقدم العلوم والتكنولوجيا الحديثة. على سبيل المثال، يمكن للتحديد الشديد في بُعد التردد الحصول على ليزر فائق الاستقرار للتلاعب الدقيق والقياس، مما يجعل التبريد الذري واكتشاف الموجات الثقالية ممكنًا (2001، جائزة نوبل في الفيزياء 2017)؛ في بُعد الوقت، يمكن للتحديد الشديد للمجال البصري الحصول على ليزر أتو ثانية فائق السرعة (جائزة نوبل في الفيزياء 2023)، مما يوفر إمكانية ملاحظة الحركات الفائقة السرعة للجسيمات في الكون الصغير. يمكن للتحديد الشديد في بُعد المتجه الموجي الحصول على ليزر فائق المحاذاة، والذي يمكن تطبيقه على الاتصالات البصرية عالية السرعة في الفضاء بين النجوم لمسافات طويلة؛ وفي البعد المكاني، يمكن الحصول على ليزر نانوي باستخدام مجال الضوء الموضعي الشديد، وهو ما من المتوقع أن يوفر فرصاً جديدة للجيل الجديد من تكنولوجيا المعلومات ودراسة تفاعلات الضوء والمادة في ظل توطين مجال الضوء القوي.
بناءً على معادلات ماكسويل، اقترحت مجموعة ما رينمين نظرية لاختراق حد الحيود الضوئي في الأنظمة العازلة، ووجدت أن تفرد المجال الكهربائي عند قمة هوائي الفراشة العازل النانوي ينشأ من تشتت الزخم: بالقرب من القمة، يكون الزخم الزاوي للتفرد عددًا حقيقيًا، والزخم الشعاعي عددًا وهميًا، وبالقرب من القمة، تتشتت القيمة المطلقة لزخمين، لكن الزخم الكلي المكون من الزخمين يظل كمية صغيرة محدودة من الزخم تحددها ثابت العزل المادي الذي تحدده قيمة صغيرة محدودة. هذه الآلية تشبه آلية حبس المجال الضوئي لوضع الإثارة المقسمة بالتساوي (في تأثير الإثارة المقسمة بالتساوي، يتسبب زخمها العرضي التخيلي في زيادة الزخم الطولي الحقيقي)، ولكن بدون الخسائر الأومية. تجمع المجموعة بين هوائي نانوي على شكل فراشة عازل مع تفرد لا نهائي للحقل الكهربائي مع تجويف نانوي بصري زاوي لبناء تجويف نانوي مفرد بحجم وضع يخترق حد الحيود البصري، وإعداد ليزر نانوي عازل مفرد بمقياس ميزة على مستوى الذرة في مادة أشباه الموصلات متعددة الآبار الكمومية من خلال طريقة النمو بالحفر المكونة من خطوتين. يؤكد التوصيف المنهجي لعلاقة طاقة الإدخال والإخراج بالليزر، وتغير عرض خط الإثارة مع طاقة الإدخال، والتماسك من الدرجة الثانية وخصائص استقطاب خرج الليزر، أن ليزر النانو العازل المفرد له خاصية اختراق حد الحيود البصري للإثارة. يحتوي الليزر النانوي العازل المفرد على عتبة إثارة تبلغ 26 كيلو وات سم 1، وعامل إثارة يبلغ 13200، وحجم وضع يبلغ 0.0005 λ3، وحقل الضوء الخاص به مضغوط للغاية في مركز الهوائي النانوي بعرض نصف ارتفاع يبلغ حوالي 1 نانومتر فقط.
لقد تمكنت ليزرات النانو العازلة المتفردة لأول مرة من تحقيق إثارة الليزر في نظام عازل يكسر حد الحيود البصري، مما أدى إلى تقدم المقياس المميز لحقل ضوء الليزر إلى المستوى الذري، وهو ما يضاهي المقياس الذي وصلت إليه الأشعة السينية. ومن المتوقع أن يوفر هذا الاختراق أدوات جديدة للبحث في علوم المواد والحياة. وفي الوقت نفسه، وبالمقارنة مع الليزر الحالي، فإن ليزر النانو العازل المتفرد لا يستهلك طاقة أقل فحسب، بل يحقق أيضًا سرعة تعديل أسرع وتفاعلات أقوى بين الضوء والمادة، ومن المتوقع أن يولد مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات تكنولوجيا المعلومات والاستشعار والكشف.
