科学家发现能“困住”光的奇特“独角鲸”波

过去，研究人员尝试用等离激元学（plasmonics）突破光的衍射极限——即利用金属把光‘挤’进比其波长还小的空间。但金属会因能量耗散而严重发热，阻碍了光子技术的高效化和规模化应用。2024年，北京大学马仁敏团队在《自然》杂志发表突破性成果：提出‘奇异色散方程’这一全新理论框架，证明仅用无损耗的绝缘材料（如二氧化硅、氮化硅等常见介质），就能实现前所未有的强光约束。该方法完全避开金属发热缺陷，为紧凑、节能的光子器件铺平道路。随后，团队在《eLight》期刊进一步揭示这种超强约束的物理起源——一类全新的电磁本征模，因其电场分布形似独角鲸长牙，被命名为‘独角鲸状波函数’。它具有双重特性：在奇异点附近呈局域幂律增强（光强随距离按幂次急剧上升），而在稍远处则迅速呈全局指数衰减（光强快速消失）。二者结合，使光能量高度局域化，远超传统物理极限。基于此，研究团队设计并实验证实了一种三维‘奇异介质谐振腔’，首次在全部三个空间维度上同时突破衍射极限。通过近场扫描测量，他们直接观测到该波函数：紧邻奇异点处光强按理论预测的幂律增长，远离时则按指数规律衰减；实验结果与理论及全三维仿真高度吻合，实现迄今最小的光学模式体积——仅5×10⁻⁷λ³（即不到一个波长立方的百万分之零点五）。更进一步，团队将这一极端局域化能力转化为实用工具，开发出新型‘奇异光学显微镜’：通过激发谐振腔中的本征模，在样品表面产生高度局域的电磁场；周围结构的微小变化会引起可测的共振频率偏移，从而实现超高精度探测。实验中达到λ/1000的空间分辨率（例如对波长633 nm的红光，分辨率达0.6纳米），成功清晰成像深亚波长尺度的‘PKU’和‘SFM’字样。研究团队将这一整套基于奇异色散、依赖无损耗介质、实现无热耗散超限光操控的新范式，命名为‘奇点光子学’（singulonics）。它有望推动超高效信息处理、拓展量子光学新平台，并大幅提升超分辨成像能力。