在北京大學的實驗室里,一束直徑不足頭發(fā)絲千分之一的激光正在創(chuàng)造歷史。2024年,該校團隊成功研制出模式體積僅為0.0005λ3的奇點介電納米激光器,首次將光場壓縮至原子尺度,突破了困擾光學領(lǐng)域百余年的衍射極限。這一突破不僅為超分辨成像技術(shù)帶來革命,更在光通信、量子計算等領(lǐng)域埋下了創(chuàng)新種子。
一、突破衍射極限的光學革命
自1873年阿貝提出光學衍射極限理論以來,科學家始終受限于光的波動性。傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率無法突破200納米,如同用粗網(wǎng)捕撈細沙,難以捕捉更小的微觀結(jié)構(gòu)。盡管STED、PALM等超分辨技術(shù)通過特殊照明或單分子定位實現(xiàn)了納米級成像,但設(shè)備體積龐大、操作復雜,難以普及應用。
北京大學團隊另辟蹊徑,從麥克斯韋方程組出發(fā),發(fā)現(xiàn)介電質(zhì)體系中存在電場奇點。這種奇點的角向動量與徑向動量相互制約,在納米天線頂點處形成極端壓縮的光場。通過設(shè)計蝶形納米天線與轉(zhuǎn)角光學納腔的結(jié)合結(jié)構(gòu),他們將光場半高寬壓縮至1納米,相當于把一粒鹽的體積壓縮到病毒大小。這種突破不僅打破了等離激元納米激光的10納米極限,更實現(xiàn)了零歐姆損耗的高效激射。
二、原子級光場的技術(shù)密碼
奇點介電納米激光器的核心在于材料與結(jié)構(gòu)的精妙設(shè)計。研究人員采用半導體多量子阱作為增益材料,通過刻蝕-生長兩步法制備出具有原子級特征尺度的納腔。在納米天線頂點處,光場能量密度達到傳統(tǒng)激光器的百萬倍,卻僅需26 kW/cm2的激發(fā)閾值,相當于家用微波爐功率的千分之一。
這種微型激光器的工作原理如同精密的分子芭蕾。當泵浦光注入時,量子阱中的電子躍遷產(chǎn)生光子,這些光子在納腔內(nèi)形成駐波。由于奇點效應,光場被牢牢束縛在納米天線頂點,避免了能量泄露。通過控制納米天線的幾何參數(shù),研究人員可精確調(diào)控激射波長與偏振態(tài),為構(gòu)建可重構(gòu)光頻相控陣奠定了基礎(chǔ)。
三、多領(lǐng)域的應用躍遷
原子級激光的突破正在多個領(lǐng)域引發(fā)鏈式反應。在生物醫(yī)學領(lǐng)域,其超分辨成像能力可清晰觀察單個病毒的結(jié)構(gòu)動態(tài)。2024年,上海某醫(yī)院已將該技術(shù)應用于阿爾茨海默病的病理研究,首次捕捉到β淀粉樣蛋白纖維在神經(jīng)元表面的組裝過程。這種實時觀測為藥物研發(fā)提供了全新靶點。
光通信領(lǐng)域同樣受益于微型激光器的革新。傳統(tǒng)光模塊依賴毫米級激光器,限制了高密度集成。奇點納米激光器的體積僅為傳統(tǒng)器件的百萬分之一,可在指甲蓋大小的芯片上集成十萬個激光器。2025年,深圳某公司基于該技術(shù)開發(fā)的1.6T光通信模塊,將數(shù)據(jù)中心的傳輸速率提升至當前的4倍,功耗降低60%。
更令人期待的是量子計算的潛在突破。原子級光場可作為量子比特的載體,其極端局域化特性有助于構(gòu)建高密度量子陣列。中國科學技術(shù)大學團隊已開始探索將該激光器用于量子密鑰分發(fā),實驗顯示其單光子生成效率比傳統(tǒng)方法提高兩個數(shù)量級。
四、未來展望:從實驗室到產(chǎn)業(yè)化
盡管原子級激光已展現(xiàn)出巨大潛力,但其大規(guī)模應用仍需跨越幾道門檻。目前,納腔的制備精度依賴于電子束光刻技術(shù),成本高昂且效率低下。研究團隊正在開發(fā)納米壓印技術(shù),目標將單個激光器的制造成本降至0.1元以下。此外,如何實現(xiàn)激光器陣列的協(xié)同工作,仍是光頻相控陣技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
面對這些挑戰(zhàn),全球科研機構(gòu)與企業(yè)已展開競速。2025年,美國貝爾實驗室宣布開發(fā)出基于硅基材料的原子級激光器,日本NTT則展示了集成1024個激光器的光芯片。中國在該領(lǐng)域的專利申請量已躍居全球第一,華為、中興等企業(yè)正與高校合作推進技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
當?shù)谝皇蛹壖す獯┩讣{米天線的瞬間,人類對微觀世界的探索進入了新紀元。這束光不僅照亮了細胞內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu),更預示著光子時代的到來。從超分辨顯微鏡到量子通信,從生物醫(yī)學到深空探測,原子級激光正以其獨特的能量,重塑著人類認知與改造世界的方式。未來,或許每臺智能手機都將搭載這樣的微型激光器,讓我們得以用光子的視角,重新丈量這個充滿奇跡的世界。
來源: 桂粵科普