幾十年來，光子裝置的小型化比電子元件的小型化困難得多。挑戰是物理學。光不能輕易地被限制在非常小的空間內，因為不確定原理將其限制與波長聯繫起來。在可見光和近紅外光中，該波長可以比電子電路中使用的德布羅意波長長一千倍。因此，光子晶片相對較大，且光學成像系統具有嚴格的解析度限制。
科學家先前曾將等離激元視為可能的解決方案。這種方法使用金屬來允許光進入小於其波長的空間。然而，金屬透過能量耗散產生大量熱量，為高效和可擴展的光子技術造成了主要障礙。
2024年，中國北京大學馬仁民領導的研究人員取得重大突破（自然 632, 287-293 (2024))。該團隊開發了他們所謂的奇異色散方程，這是一個新的理論框架，表明透過使用無損介電材料而不是金屬，可以將光限制在令人難以置信的小尺度內。由於該方法完全基於電介質，因此它避免了與有限的等離子體系統相關的熱損失，並且可能有助於為緊湊且高效的光子裝置鋪平道路。
發現「類似獨角鯨」的波函數
在最近發表的一篇文章中 伊萊特同一個研究小組解釋了這種極端光限制的起源。研究人員稱，它源自於一種全新的電磁本徵模式，稱為獨角鯨形波函數。
這些不尋常的模式結合了兩種重要的行為。在奇點附近，電磁場改善為局域冪律。在較遠的距離處，場透過全域指數衰減迅速衰減。這些特性共同使光得以集中和壓縮，超越了傳統的物理極限。
利用這個概念，團隊設計並透過實驗展示了一種獨特的三維介電諧振器，能夠將光限制在三個空間維度上的衍射極限以下。
創紀錄的光限制
研究人員利用近場掃描測量直接觀察獨角鯨的波形函數。他們的測量結果清楚地表明，在奇點附近存在可預測的冪律增長，而在更遠的地方則呈指數衰減。
實驗觀察結果與理論預測和完整 3D 模擬一致。該系統實現了僅5×10的超小模式體積-7 我3表示光限制的特殊水平。
新型光學顯微鏡
該團隊還利用獨角鯨形狀波形的極端定位來創建一種新的近場掃描光學顯微鏡技術，稱為奇異光學顯微鏡。
透過激發特殊介電腔的本徵模，顯微鏡產生高度局部化的電磁場。周圍結構的微小變化會導致可測量的共振變化，使系統能夠檢測到非常精細的細節。
研究人員展示了前所未有的 λ/1000 空間分辨率，並成功對深波長圖案進行了成像，包括字母「PKU」和「SFM」。
“Singulonics”的興起。
研究表明，色散方程式產生獨角鯨形波函數，能夠在無損介電材料中以非常小的尺度捕捉光。
研究人員表示，這項發現是他們所謂的奇異學的基礎，奇異學是一種新的奈米光子框架，旨在控制和限制光超出傳統限制，而不浪費能量。這項突破可以支援超高效的資訊處理技術，為量子光學創造新的機會，並擴展高解析度成像能力。
