北京大学物理学院物性物理・材料物理研究所の馬仁民教授の研究グループは、中国国家自然科学基金（助成番号12225402、62321004、92250302）などの助成を受けて、誘電体システムの光回折限界を突破する理論を提唱し、原子スケールの光ナノ共振器を作製し、これまでで最小のモード体積レーザーを実現し、特異性誘電体ナノレーザーを発明しました。この特異性誘電体ナノレーザーの発明は、レーザー光場の特性スケールを原子レベルまで押し下げます。研究成果は、2024年7月17日（北京時間）に「原子スケールの場の局在化を備えた特異誘電体ナノレーザー」というタイトルで発表されました。
1960 年にレーザーが導入されて以来、周波数、時間、運動量、空間の次元で光場を局在化してより高性能なレーザーを実現することは、レーザー物理学とデバイスの発展の中核的な原動力であり、こうして生まれた新しい高性能レーザーも現代の科学技術の進歩に大きく貢献しています。たとえば、周波数次元での極端な局在化により、精密な操作と測定のための超安定レーザーが得られ、原子冷却と重力波検出が可能になります (2001 年、2017 年ノーベル物理学賞)。時間次元では、光場を極限まで局在化することで超高速アト秒レーザーが得られ (2023 年ノーベル物理学賞)、微小宇宙における粒子の超高速運動を観測する可能性が生まれます。波数ベクトル次元での極端な局在化により超コリメートレーザーが得られ、長距離星間空間の高速光通信に応用できます。また、空間次元では、極限に局在化した光場からナノスケールのレーザーを得ることができ、これにより、新世代の情報技術や、強い光場の局在化による光物質相互作用の研究に新たな機会がもたらされると期待されています。
馬仁民らの研究グループは、マクスウェル方程式に基づいて誘電体システムの光回折限界を突破する理論を提唱し、誘電体バタフライナノアンテナの頂点における電場特異点は運動量の分散に起因することを発見した。頂点付近では、特異点の角運動量は実数、動径運動量は虚数であり、頂点付近では2つの運動量の絶対値は分散するが、2つの運動量からなる総運動量は有限の小さな値で決まる物質の誘電率によって決まる有限の小さな運動量のままである。このメカニズムは、等分割励起モードの光場閉じ込めメカニズム（等分割励起効果では、その虚横運動量が実縦運動量の増加を引き起こす）に似ているが、抵抗損失がない。本研究グループは、無限の電場特異点を持つ誘電体蝶型ナノアンテナとコーナリング光ナノキャビティを組み合わせ、光回折限界を突破するモード体積を持つ特異点ナノキャビティを構築し、エッチング成長の2段階法によって半導体多重量子井戸利得材料に原子レベルの特徴スケールを持つ特異点誘電体ナノレーザーを作製した。レーザー入力-出力パワー関係、入力パワーによる励起線幅の変化、2次コヒーレンス、レーザー出力偏光特性の系統的特性評価により、特異点誘電体ナノレーザーが励起の光回折限界を突破する特性を持つことを確認した。特異点誘電体ナノレーザーの励起閾値は26kW cm{{10}}、励起積係数は13200、モード体積は0.0005λ3であり、その光場はナノアンテナの中心で極度に圧縮され、半値幅はわずか約1nmである。
特異点誘電体ナノレーザーは、誘電体システムで初めて光回折限界を破るレーザー励起を実現し、レーザー光場の特性スケールを、X線が到達するスケールに匹敵する原子レベルまで前進させました。このブレークスルーは、材料科学と生命科学の研究に新たなツールを提供することが期待されています。一方、既存のレーザーと比較して、特異点誘電体ナノレーザーは消費エネルギーが少ないだけでなく、変調速度が速く、光と物質の相互作用が強くなっており、情報技術、センシング、検出の分野で幅広い応用を生み出すことが期待されています。
