单个原子可以改变扫描隧道显微镜中发射的光的方向分布

马德里的研究人员解释了一种允许在原子尺度上控制光发射方向的现象。本文详细解释了当尖端放置在原子台阶上时，扫描隧道显微镜（STM）实验中收集的光的轮廓是如何变化的

光在远场中的性质取决于近场中发生的事情。在纳米尺度下，低于其波长的光的操纵可以在STM显微镜中进行，因为电磁场在两个金属纳米结构之间非常有限，显微镜的尖端和样品，两者相距1纳米的典型距离。这种结构被称为纳米腔

如果一种元素被引入到这个纳米腔中，例如原子缺陷，该系统就会变成一个微微腔，并具有独特的性质。已经观察到，通过在纳米腔中引入原子步骤，可以改变实验中的发光方向。研究人员之前观察到的这一现象，到目前为止还缺乏科学解释

由Alberto Martín Jiménez和Roberto Otero领导的IMDEA Nanoscienceia（西班牙）的研究人员在一项实验中对辐射光进行了测量，该实验使用由金STM尖端和带有原子台阶的银原子光滑表面组成的微微天线。研究结果发表在《科学进展》杂志上

在STM显微镜的典型测量中，尖端穿过样品，在拾取信号时来回扫过表面。研究人员观察到，每个电子在单原子台阶上以正确的能量隧穿时发出的光可以大于或小于电子注入表面原子平坦部分时收集的光

通过对许多台阶发出的光的全面表征，研究人员意识到，控制每个电子光强度的参数是台阶方向和光收集方向之间的相对方向，从而证明光的发射并非在空间的所有方向上均匀分布，但有些比其他具有心形方向轮廓的更受欢迎

作者与IFIMAC-UAM的研究人员合作，阐明了改变光发射的机制。在他们的工作中，他们合理地认为，在尖端和STM样品之间的小腔中，原子大小的缺陷足以导致电场的显著重新分布

台阶两侧的效果非常不同，从而解释了为什么光发射的角度轮廓取决于台阶的方向。这种现象可以用来制造微微天线，这是一种纳米级的元件，用于控制发射光的方向性

因此，为了确定近场中发射的电磁场（光），不仅需要考虑显微镜的点样品结构，还需要考虑被扫描样品在原子尺度上的配置和缺陷，因为单个原子缺陷可以改变这种辐射的发射方向

作者认为这种方法有可能最终调整分子、量子点或其他量子发射器的发光方向。研究原子物体的光学性质不仅对推进我们的知识至关重要，而且对于能够设计具有应用的系统至关重要，例如在量子计算中 More information: David Mateos et al, Directional picoantenna behavior of tunnel junctions formed by an atomic-scale surface defect, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn2295

Journal information: Science Advances