Разработка компактных фотонных устройств на протяжении десятилетий оставалась значительно более сложной задачей, чем миниатюризация электронных компонентов. Причиной этого выступали фундаментальные законы физики. Свет трудно локализовать в крайне малых пространствах из–за принципа неопределенности, связывающего его удержание с длиной волны. В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах эта длина может в тысячи раз превышать длину волны де Бройля, используемую в электронных схемах. В результате фотонные чипы оставались громоздкими, а оптические системы визуализации сталкивались с жесткими ограничениями разрешения.
Ранее ученые пытались решить эту проблему с помощью плазмоники – направления, использующего металлы для сжатия света на масштабах меньше длины его волны. Однако металлы выделяют значительное количество тепла из–за рассеивания энергии, что мешает созданию энергоэффективных технологий. В 2024 году исследовательская группа под руководством Жэнь–Минь Ма из Пекинского университета представила теоретическую модель, показавшую, что свет можно удерживать в экстремально малых объемах с помощью диэлектрических материалов без потерь энергии.
В новой работе, опубликованной в журнале «eLight», исследователи объяснили физическую природу этого явления. Сверхсильное сжатие света обусловлено новым классом электромагнитных собственных мод, которые ученые назвали нарвалоподобными волновыми функциями. Эти моды сочетают два типа поведения: вблизи сингулярности электромагнитное поле испытывает локальное степенное усиление, а на больших расстояниях быстро затухает по экспоненциальному закону. Это позволяет концентрировать свет далеко за привычными физическими пределами. На основе этой концепции физики спроектировали и экспериментально продемонстрировали трехмерный сингулярный диэлектрический резонатор.
С помощью сканирующей ближнепольной микроскопии авторы работы напрямую зафиксировали предсказанное степенное возрастание поля вблизи сингулярности и экспоненциальный спад в удалении от нее. Экспериментальные данные совпали с теоретическими расчетами и трехмерным компьютерным моделированием. Система продемонстрировала сверхмалый объем моды, составивший всего 5 на 10 в минус седьмой степени от куба длины волны.
Экстремальную локализацию волновых функций исследователи применили для создания нового типа сканирующего ближнепольного оптического микроскопа, названного сингулярным. Возбуждение собственных мод в диэлектрических полостях создает высоколокализованные поля. Незначительные изменения в структуре исследуемых объектов вызывают измеримые резонансные сдвиги, позволяя фиксировать мельчайшие детали. Прибор показал пространственное разрешение на уровне одной тысячной от длины волны и успешно визуализировал наноструктуры сверхмалого масштаба.
По мнению ученых, данное открытие закладывает основу для нового направления в нанофотонике – сингулоники. Эта концепция предлагает методы управления светом на субволновом уровне без тепловых потерь. Развитие технологии может ускорить создание энергоэффективных систем обработки информации, расширить возможности квантовой оптики и привести к появлению новых методов оптической микроскопии сверхвысокого разрешения.
