Eén enkel atoom kan het richtingsprofiel veranderen van het licht dat wordt uitgezonden in scanning-tunnelingmicroscopen

Onderzoekers uit Madrid verklaren een fenomeen waarmee de richting van de lichtemissie op atomaire schaal kan worden gecontroleerd. Het artikel geeft een gedetailleerde uitleg van hoe het profiel van het licht dat wordt verzameld in experimenten met een scanning tunneling microscoop (STM) verandert wanneer de punt op een atomaire trede wordt geplaatst.

De eigenschappen van licht in het verre veld worden bepaald door wat er in het nabije veld gebeurt. De manipulatie van licht op nanometerschaal, onder de golflengte ervan, kan worden uitgevoerd in STM-microscopen omdat het elektromagnetische veld extreem beperkt is tussen twee metalen nanostructuren, de punt van de microscoop en het monster, beide gescheiden door een typische afstand van 1 nanometer. . Deze configuratie wordt een nanocaviteit genoemd.

Als een element in deze nanoholte wordt geïntroduceerd, zoals een atoomdefect, wordt het systeem een ​​picocaviteit en heeft het unieke eigenschappen. Er is waargenomen dat het, door atomaire stappen in de nanoholtes te introduceren, mogelijk is om de richting van de lichtemissie in de experimenten te wijzigen. Voor dit fenomeen, dat onderzoekers eerder hadden waargenomen, ontbrak tot nu toe een wetenschappelijke verklaring.

Onderzoekers van IMDEA Nanociencia (Spanje), onder leiding van Alberto Martín Jiménez en Roberto Otero, hebben metingen gedaan van het uitgestraalde licht in een experiment met een picoantenne bestaande uit een gouden STM-punt en een glad oppervlak van zilveratomen met een atomaire stap. De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Wetenschappelijke vooruitgang.

Tijdens een typische meting met een STM-microscoop beweegt de punt over het monster en beweegt het oppervlak heen en weer terwijl het signaal wordt opgevangen. De onderzoekers merkten op dat het licht dat wordt uitgezonden door elk elektron dat met de juiste energie op een mono-atomaire stap tunnelt, groter of kleiner kan zijn dan het licht dat wordt opgevangen wanneer het elektron in het atomair vlakke deel van het oppervlak wordt geïnjecteerd.

Door een alomvattende karakterisering van het licht dat door vele stappen wordt uitgezonden, realiseerden de onderzoekers zich dat de parameter die de intensiteit van het licht per elektron regelt de relatieve oriëntatie is tussen de richtingen van de stap en de richting van de lichtverzameling, waarmee wordt aangetoond dat de emissie van licht is niet gelijkmatig verdeeld in alle richtingen van de ruimte, maar sommige hebben de voorkeur boven andere met een richtingsprofiel van het cardioïde type.

In samenwerking met onderzoekers van IFIMAC-UAM hebben de auteurs het mechanisme opgehelderd waarmee de lichtemissie wordt gewijzigd. In hun werk rationaliseren ze dat in holtes zo klein als die tussen de punt en het STM-monster een defect in de atomaire grootte voldoende is om een ​​significante herverdeling van het elektrische veld te veroorzaken.

Het effect is aan beide zijden van de trede heel verschillend, wat verklaart waarom het hoekprofiel van de lichtemissie afhangt van de oriëntatie van de trede. Dit fenomeen kan worden benut om een ​​picoantenne te maken, een element op nanoschaal waarmee de richting van het uitgezonden licht kan worden gecontroleerd.

Om het elektromagnetische veld (licht) dat in het nabije veld wordt uitgezonden te bepalen, is het dus niet alleen nodig om rekening te houden met de puntmonsterstructuur van de microscoop, maar ook met de configuratie en defecten van het monster dat wordt geveegd. atomaire schaal, omdat een enkel atoomdefect de richting waarin deze straling wordt uitgezonden kan wijzigen.

De auteurs zien mogelijkheden in deze methode om uiteindelijk de richting van de lichtemissie van moleculen, kwantumdots of andere kwantumstralers af te stemmen. Het onderzoeken van de optische eigenschappen van atomaire objecten is niet alleen cruciaal om onze kennis te vergroten, maar ook om systemen te kunnen ontwerpen die bijvoorbeeld toepassingen hebben in quantum computing.