2021 年 6 月，馬普固態研究所 Rico Gutzler 等人在《Nature Reviews Physics》期刊發表了題為《Light–matter interaction at atomic scales》的文章，基于掃描隧道顯微鏡（STM）與光子學結合的方法，研究了光與物質在原子尺度上的相互作用，實驗和仿真結果表明光可通過多種機制與原子、分子及納米結構相互作用，如光致隧穿、非彈性隧穿、光激發態的產生及輻射衰減等，該研究的結果對深入理解光與物質相互作用在量子器件、能源轉換材料和生物系統等領域的應用具有重要意義，為未來在原子尺度上操控和探測量子現象提供了新的視角和工具，推動了量子技術等領域的發展。

一、引言與背景

對光與物質相互作用的理解一直是物理學的核心課題之一。在納米尺度上深入探究這一相互作用，對于眾多前沿科技領域的發展具有基礎性的推動作用。本文獻全面且系統地闡述了在原子尺度上光與物質相互作用的豐富內涵與前沿研究進展。

長久以來，光學顯微鏡的衍射極限限制了人們對納米尺度實體的成像能力。這一障礙極大地阻礙了科學家們對微觀世界中光與物質相互作用細節的觀察與理解。然而，尖端增強的局域電場成功地突破了這一限制，將分辨率推向遠低于衍射極限的水平，為納米世界的探索打開了新的大門。同時，通過將光子學領域與納米實空間技術（如掃描隧道顯微鏡 - STM，它擁有原子級尖銳的金屬探針）相結合，科學家們得以運用阿秒時間分辨率和皮米空間分辨率來觀測微觀體系中的電子動力學。這種對電子動態的精細捕捉，為深入理解原子和分子尺度上的物理過程提供了全新的視角。

文獻指出，光的發射或吸收作為宏觀可觀測現象，反映了原子和分子尺度上微觀過程的發生。通過對由inelastic electron tunnelling（非彈性電子隧穿）產生的光子發射進行光譜測量，研究人員能夠洞悉原子尺度上的電子過程。這些細節在傳統觀測手段下是無法企及的。同樣地，通過吸收光子或利用外部短電磁脈沖來調控隧穿結，能夠觸發眾多超快過程，并且這些過程能夠在原子層面上被測量。這一能力成為過去幾十年間光子學與掃描探針技術相結合的關鍵驅動力。

文獻回顧了這一研究領域的歷史脈絡，從 20 世紀 80 年代 STM 的首次問世，為人類提供了一個在原子長度尺度上觀察物質的全新視角，到隨后科學家們構思出利用 STM 來構建由單個原子和分子組成的納米建筑，這一歷程清晰地展示了該領域的持續演進與發展。早期關于 STM 結中光發射的報道，后續被用于展示來自有機吸附物的高空間分辨率發射以及原子級分辨的光子映射，這些研究不斷拓展著人們對光與物質相互作用的認知邊界。

二、光與物質相互作用的基本機制

文獻詳細闡述了光與物質相互作用的四種主要類型，這些相互作用機制是理解原子尺度上光物理現象的關鍵。

第一種類型是光誘導隧穿。當光照射到 STM 結時，電磁場的強烈瞬時梯度可以足夠降低隧穿勢壘，從而誘導電子在探針尖端和樣本之間發生隧穿。或者，結中一個或多個光子的吸收可以使電子躍遷到費米能級以上，導致隧穿電流的產生。這種通過外部光源引入的主動元素，為操縱隧穿過程提供了新的手段。利用超短激光脈沖，STM 實現了高時間分辨率，能夠捕捉到電子動態的瞬息變化。

第二種類型是inelastic tunnelling（非彈性隧穿）。隧穿電子與電磁輻射的相互作用可能導致通過光子吸收或發射實現的非彈性隧穿。局域表面等離子體極化子可以在電子隧穿過程中產生光，這種機制通常被稱為等離子體發射。此外，非彈性過程還可以將電子 - 空穴對注入 STM 結中的半導體，電子 - 空穴復合進而導致激子發射。在極低溫條件下，隧穿電子與 STM 結周圍的電磁環境的相互作用對能量分辨率有著至關重要的影響。

第三種類型是光激發態的產生。入射光能夠在 STM 結中的實體（如分子、單個原子、原子缺陷或納米結構）中觸發局域激發態。這些激發態可以通過從結中散射的光被檢測到，它們可以通過改變局域態密度來調制隧穿過程，并且可以在自旋極化的 STM 中誘導出可檢測的自旋翻轉。

第四種類型是激發態的輻射衰減。由隧穿過程產生的激發態可以通過輻射衰減并以具有明確光譜特征的光的形式發射出來。例如，電致發光現象，即在分子和其他量子系統中產生激子，并通過光的發射實現去激發過程。

圖 1：光與物質相互作用的分類

圖 1 通過四個子圖（a 至 d）以及一個額外的子圖（e）清晰地展示了光與物質在原子尺度上相互作用的四種主要類型。

圖 1a 展示了光誘導隧穿過程，其中光照射在 STM 結上，利用電磁場的瞬時梯度降低隧穿勢壘，促使電子在探針尖端和樣本之間發生隧穿。

圖 1b 描繪了非彈性隧穿過程，隧穿電子與電磁輻射相互作用，導致光子吸收或發射，進而產生光發射現象。

圖 1c 展示了光激發產生局部激發態的過程，入射光觸發 STM 結中實體（如分子、單原子等）的局域激發，這些激發態可通過散射光檢測，或調制隧穿過程，或在自旋極化 STM 中誘導自旋翻轉。

圖 1d 描述了激發態的輻射衰減過程，由隧穿過程產生的激發態通過輻射衰減發射出具有明確光譜特征的光。

圖 1e 總結了適用于STM研究的量子系統，涵蓋了從電子躍遷、振動和轉動激發、激子及其他準粒子激發、電子自旋激發到核自旋激發的廣泛光譜范圍，展示了入射光頻率對這些激發的覆蓋能力，強調了STM在研究原子尺度光與物質相互作用時的多功能性和廣泛適用性。

三、時空極限下的動力學研究

在時空極限下對動力學過程的研究，是超快光子學與掃描探針技術相結合的核心驅動力之一。這一領域的研究旨在實現對快速動態過程的高空間分辨率觀測，為揭示物質在原子尺度上的動態行為提供了關鍵手段。

掃描隧道顯微鏡（STM）具備捕捉皮米級電子密度分布的能力，但其自身難以提供電子隨時間演變的信息，除非是在電子脈沖泵 - 探測量子點設置中以納秒級分辨率測量自旋動力學。相比之下，超短激光脈沖能夠捕捉電子動力學的時間變化，但無法提供有關單個原子或分子實體局部動態的信息，而這些信息只能通過理論重建來獲取。因此，長期以來，科研人員致力于將超短激光脈沖的時間分辨率引入 STM 中，目標是實現一個原子尺度的空間 - 時間顯微鏡，能夠在亞埃（空間）和亞飛秒（時間）尺度上同時實現超高分辨率。

在過去 30 年間，將超快光子學與 STM 結合的努力，因 STM 原子級尖銳探針在受到激光脈沖照射時產生的熱波動而受阻。然而，在過去幾年中，極低能量的太赫茲和超短光脈沖已成功與 STM 集成，且未產生明顯的熱噪聲，同時在由太赫茲或超短光脈沖的瞬時電場產生的隧穿電流下，