北京大学的物理学家发现了一种将光限制在远超传统极限的新方法——且无需依赖金属及其固有的能量耗散。通过建立奇异色散方程，该团队发现了独角鲸形状的波函数，能够在纯介质材料中将光束缚在深亚波长体积内。这一被称为“奇异光子学”的突破，有望为超高效光子芯片、新型量子技术以及具有前所未有分辨率的成像工具铺平道路。
科学家此前曾探索将等离激元学作为一种可能的变通方案。该方法利用金属将光压缩到小于其波长的空间中。然而，金属通过能量耗散会产生大量热量，这为高效且可扩展的光子技术制造了主要障碍。
2024年，由中国北京大学马仁敏领导的研究人员取得了一项重大突破[《自然》 632, 287-293 (2024)]。该团队提出了所谓的“奇点色散方程”，这是一个新的理论框架，表明可以使用无损耗介质材料代替金属将光限制在极小的尺度内。由于该方法完全依赖于介质，它避免了限制等离激元系统的热损耗问题，并可能为紧凑、节能的光子器件铺平道路。
发现“独角鲸形”波函数
在发表于《eLight》的一篇新论文中，该研究团队解释了这种极端光限制的起源。据研究人员介绍，它源于一类全新的电磁本征模，被称为“独角鲸形”波函数。
这些不寻常的模式结合了两种重要的行为。在奇点附近，电磁场经历局部幂律增强。在较远距离处，场通过全局指数衰减迅速消失。这些特性共同作用，使得光能够被浓缩和压缩，远超传统的物理极限。
利用这一概念，该团队设计并实验演示了一种三维奇点介质谐振器，能够在所有三个空间维度上将光限制在衍射极限以下。
破纪录的光限制
研究人员利用近场扫描测量直接观察了“独角鲸形”波函数的实际表现。他们的测量结果清楚地显示了预测的奇点附近的幂律增长以及远处的指数衰减。
实验观测结果与理论预测及全三维模拟高度吻合。该系统实现了仅为 5 × 10-7 λ3的超小模式体积，代表了非凡的光限制水平。
一种新型光学显微镜
该团队还利用“独角鲸形”波函数的极端局域化特性，创建了一种新的近场扫描光学显微技术，称为奇点光学显微镜。
通过激发奇点介质腔的本征模，该显微镜产生高度局域化的电磁场。附近结构的微小变化会引起可测量的谐振频移，使系统能够检测极其细微的细节。
研究人员展示了前所未有的 λ/1000 空间分辨率，并成功对深亚波长图案进行了成像，包括字母“PKU”和“SFM”。
“奇点光子学”的兴起
该研究表明，奇点色散方程产生了“独角鲸形”波函数，能够在无损耗介质材料内将光捕获在极小的尺度上。
研究人员表示，这一发现构成了他们所谓的“奇点光子学”的基础，这是一个专注于在无能量耗散的情况下将光控制和限制在远低于常规极限的新纳米光子框架。这一进展可支持超高效信息处理技术，在量子光学领域创造新机遇，并扩展超分辨成像的能力。