2025年3月27日，由国家自然科学基金委员会主办的2024年度 “中国科学十大进展”评选结果在2025中关村论坛上隆重发布。北京大学物理学院马仁敏课题组完成的成果“实现原子级特征尺度与可重构光频相控阵的纳米激光器”入选。南京大学祝世宁院士对这一突破性成果进行了解读。

马仁敏代表课题组领取证书

祝世宁院士解读成果

央视新闻报道

这项成果提出了奇点色散方程，在介电体系突破了光学衍射极限，研制出了原子级特征尺度的介电纳米激光器；实现了纳米激光器可重构光频相控阵，能够以任意图形生成可重构的阵列化相干激射，展现了其在集成光子学、微纳光源阵列和光通信领域的广阔应用前景，为信息技术领域提供了一种新的光源。

北京大学物理学院马仁敏研究团队提出了奇点色散方程，构建了介电体系突破光学衍射极限的理论框架，并基于该理论成功研制出奇点介电纳米激光器，将激光器的特征尺度推进至原子级别。

20世纪的四大发明中，晶体管和激光器占据重要地位。晶体管依托电子，激光器依托光子。电子和光子作为两类基本粒子，均可用于承载能量与信息。电力的广泛应用推动了工业革命和现代化进程，极大提升了社会生产力；而作为信息载体的电子芯片，则催生了信息技术革命，引领人类迈入数字化时代。自1960年美国科学家梅曼成功研制出首台激光器以来，激光技术便在两个极端方向上不断拓展：一方面，向超高功率发展，例如用于可控核聚变的中国神光激光装置。正如钱学森先生形象地描述，这一技术相当于在地球上创造一个“小太阳”，未来有望提供稳定而持久的清洁能源。另一方面，激光器的微型化趋势日益加速。正如晶体管的微缩推动了电子芯片的发展，微型激光器的进步极大促进了光子技术的革新。

奇点介电纳米激光器示意图（a）和其电场强度分布图（b）

将激光器的研制推进至原子级别，标志着激光光场在空间维度的压缩达到了新的极限，其尺度已逼近原子结构，为激光技术的未来发展开辟了新的方向。一方面，具备极端局域化光场的纳米激光器具有高能效与高集成度的优势，有望发展成为信息技术领域的新一代光源，推动低能耗数据通信以及纳光电子集成芯片的创新与实际应用；另一方面，直接在原子尺度上产生相干光场，有可能催生极限分辨率的新型光学成像技术，为DNA和RNA等生物分子的直接观测开辟新途径；此外，在基础物理研究方面，极端局域化的光场能显著增强光与物质相互作用，为腔量子电动力学、非线性光学与量子光学等前沿领域提供重要的实验平台。

他们还基于纳米激光器构建了可重构光频相控阵，使得纳米激光器阵列可以同步起舞，生成可重构的任意相干激射图案。

基于纳米激光器的可重构光频相控阵。莫尔纳米激光器阵列可以“P”、“K”、“U”和 “中”、“国”图形生成阵列化相干激射。由于莫尔平带的本征能量简并特性，任意形状的莫尔纳米激光器阵列均能够通过自发相位锁定产生相干激射。

相关研究论文分别发表于2023年12月13日的Nature[624: 282-288]和2024年7月17日的Nature[632, 287-293]。Nature专题报道认为，该研究为探索更小、更智能、更强大的激光光源开辟了道路（Nature 624, 260-261, 2023）。Nature Materials综述文章评价该成果，实现了激光研究领域长期追求的一个目标（Nature Materials 23, 1179–1192, 2024）。同时成果还入选了2024中关村论坛重大科技成果（面向世界科技前沿-2/5），2024国家自然科学基金委年度优秀成果巡礼，2024中国重大技术进展和2024中国光学十大进展。

马仁敏课题组长期专注于微纳激光物理与器件研究。在激光微型化机理与器件、极端尺度下光与物质相互作用等前沿领域取得了一系列具有国际影响力的成果，发表的论文包括5篇Science和Nature，研究成果曾入选2018美国物理学会Physics年度重点成果、2018和2020中国光学十大进展、2020中国半导体十大研究进展、2020中国百篇最具国际影响学术论文。同时，他担任国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员，曾获国家杰出青年科学基金、科学探索奖、中国光学学会王大珩光学奖、王选青年学者奖、全国百篇优秀博士论文奖、叶企孙实验物理一等奖等荣誉，并于2019至2021年连续三年获评北京大学优秀博士论文指导教师。

研究团队合影：马仁敏（中）、欧阳云浩（左一）、栾弘义（右二）、赵紫薇（左二）和毛文志（右一）。

2024年度 “中国科学十大进展” 主要分布在数理天文信息、化学材料能源、地球环境和生命医学等科学领域。遴选活动由国家自然科学基金委员会主办，国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心（国家自然科学基金委员会基础研究管理中心）承办，分为推荐、初选、终选和审议等四个环节。《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》《科学通报》5家编辑部以及教育部推荐了700多项基础研究成果，由近140位相关学科领域专家学者从中遴选出31项成果；由包括440余位两院院士在内的2700余位专家学者对这31项成果进行实名投票，遴选出10项重大科学研究成果；经国家自然科学基金委员会咨询委员会审议，最终确定2024年度 “中国科学十大进展”。

2024年度“中国科学十大进展”入选团队代表（马仁敏，左4）