北京大学物理学院马仁敏课题组提出独角鲸波函数，实现光场极端局域

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室马仁敏课题组提出了独角鲸波函数，在无损耗介电体系中实现了深度亚衍射极限光场局域，突破了纳米光子学中“强局域必伴高损耗”的传统认知。相关成果以《奇点介电光子学：独角鲸波函数实现亚衍射极限的纳米光子学与成像》（“Singulonics: narwhal-shaped wavefunctions for sub-diffraction-limited nanophotonics and imaging”）为题发表于《光：快讯》（eLight）。

2024年，马仁敏团队提出奇点色散方程，首次在无损耗介质体系中建立起突破衍射极限的理论框架（Nature 632, 287—293 (2024)）。本工作进一步揭示，这一框架能够实现极端局域的根本原因，在于一类此前未知的电磁场本征模式——独角鲸波函数（图1）。该模式同时具备局部幂律增强与全局指数衰减，形成了特殊的混合型场分布，使电磁场在整个空间范围内实现远超传统极限的聚焦与压缩。

图1 独角鲸波函数融合了局部幂律增强与全局指数衰减的混合特性，使光场在无耗散条件下实现突破传统极限的强烈聚焦与压缩

基于这一物理机制，团队构建并实验验证了三维奇点介电谐振腔，在三个维度同时实现亚衍射极限的电磁场局域达到5×10⁻⁷ λ³的超小模式体积（图2）。

图2 转角谐振腔和奇点介电谐振腔光场分布的对比

依托独角鲸波函数的极端局域特性，课题组进一步发展了新型近场扫描显微技术——奇点光学显微镜。实验实现了λ/1000的空间分辨率，并成功对任意深亚波长结构（如“PKU”与 “SFM”图案）完成高分辨扫描成像（图3），展示了其在超分辨光学检测和成像方面的潜在应用。

图3 奇点光学显微镜实现了λ/1000量级的成像空间分辨率

约翰霍普金斯大学Jacob Khurgin教授以《如何笼住独角兽——将光束缚于极微空间》（“How to cage a unicorn—confining light in a tiny volume”）为题撰写专题评述，指出该研究“拓展了我们对极端光场局域的理解，并在该方向上迈出了重要一步。”

北京大学物理学院2021级博士研究生毛文志和博雅博士后栾弘义为论文共同第一作者，马仁敏为通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金的支持。