2021 年 6 月，马普固态研究所 Rico Gutzler 等人在《Nature Reviews Physics》期刊发表了题为《Light–matter interaction at atomic scales》的文章，基于扫描隧道显微镜（STM）与光子学结合的方法，研究了光与物质在原子尺度上的相互作用，实验和仿真结果表明光可通过多种机制与原子、分子及纳米结构相互作用，如光致隧穿、非弹性隧穿、光激发态的产生及辐射衰减等，该研究的结果对深入理解光与物质相互作用在量子器件、能源转换材料和生物系统等领域的应用具有重要意义，为未来在原子尺度上操控和探测量子现象提供了新的视角和工具，推动了量子技术等领域的发展。
一、引言与背景
对光与物质相互作用的理解一直是物理学的核心课题之一。在纳米尺度上深入探究这一相互作用，对于众多前沿科技领域的发展具有基础性的推动作用。本文献全面且系统地阐述了在原子尺度上光与物质相互作用的丰富内涵与前沿研究进展。
长久以来，光学显微镜的衍射极限限制了人们对纳米尺度实体的成像能力。这一障碍极大地阻碍了科学家们对微观世界中光与物质相互作用细节的观察与理解。然而，尖端增强的局域电场成功地突破了这一限制，将分辨率推向远低于衍射极限的水平，为纳米世界的探索打开了新的大门。同时，通过将光子学领域与纳米实空间技术（如扫描隧道显微镜 - STM，它拥有原子级尖锐的金属探针）相结合，科学家们得以运用阿秒时间分辨率和皮米空间分辨率来观测微观体系中的电子动力学。这种对电子动态的精细捕捉，为深入理解原子和分子尺度上的物理过程提供了全新的视角。
文献指出，光的发射或吸收作为宏观可观测现象，反映了原子和分子尺度上微观过程的发生。通过对由inelastic electron tunnelling（非弹性电子隧穿）产生的光子发射进行光谱测量，研究人员能够洞悉原子尺度上的电子过程。这些细节在传统观测手段下是无法企及的。同样地，通过吸收光子或利用外部短电磁脉冲来调控隧穿结，能够触发众多超快过程，并且这些过程能够在原子层面上被测量。这一能力成为过去几十年间光子学与扫描探针技术相结合的关键驱动力。
文献回顾了这一研究领域的历史脉络，从 20 世纪 80 年代 STM 的首次问世，为人类提供了一个在原子长度尺度上观察物质的全新视角，到随后科学家们构思出利用 STM 来构建由单个原子和分子组成的纳米建筑，这一历程清晰地展示了该领域的持续演进与发展。早期关于 STM 结中光发射的报道，后续被用于展示来自有机吸附物的高空间分辨率发射以及原子级分辨的光子映射，这些研究不断拓展着人们对光与物质相互作用的认知边界。
二、光与物质相互作用的基本机制
文献详细阐述了光与物质相互作用的四种主要类型，这些相互作用机制是理解原子尺度上光物理现象的关键。
第一种类型是光诱导隧穿。当光照射到 STM 结时，电磁场的强烈瞬时梯度可以足够降低隧穿势垒，从而诱导电子在探针尖端和样本之间发生隧穿。或者，结中一个或多个光子的吸收可以使电子跃迁到费米能级以上，导致隧穿电流的产生。这种通过外部光源引入的主动元素，为操纵隧穿过程提供了新的手段。利用超短激光脉冲，STM 实现了高时间分辨率，能够捕捉到电子动态的瞬息变化。
第二种类型是inelastic tunnelling（非弹性隧穿）。隧穿电子与电磁辐射的相互作用可能导致通过光子吸收或发射实现的非弹性隧穿。局域表面等离子体极化子可以在电子隧穿过程中产生光，这种机制通常被称为等离子体发射。此外，非弹性过程还可以将电子 - 空穴对注入 STM 结中的半导体，电子 - 空穴复合进而导致激子发射。在极低温条件下，隧穿电子与 STM 结周围的电磁环境的相互作用对能量分辨率有着至关重要的影响。
第三种类型是光激发态的产生。入射光能够在 STM 结中的实体（如分子、单个原子、原子缺陷或纳米结构）中触发局域激发态。这些激发态可以通过从结中散射的光被检测到，它们可以通过改变局域态密度来调制隧穿过程，并且可以在自旋极化的 STM 中诱导出可检测的自旋翻转。
第四种类型是激发态的辐射衰减。由隧穿过程产生的激发态可以通过辐射衰减并以具有明确光谱特征的光的形式发射出来。例如，电致发光现象，即在分子和其他量子系统中产生激子，并通过光的发射实现去激发过程。
图 1：光与物质相互作用的分类
图 1 通过四个子图（a 至 d）以及一个额外的子图（e）清晰地展示了光与物质在原子尺度上相互作用的四种主要类型。
图 1a 展示了光诱导隧穿过程，其中光照射在 STM 结上，利用电磁场的瞬时梯度降低隧穿势垒，促使电子在探针尖端和样本之间发生隧穿。
图 1b 描绘了非弹性隧穿过程，隧穿电子与电磁辐射相互作用，导致光子吸收或发射，进而产生光发射现象。
图 1c 展示了光激发产生局部激发态的过程，入射光触发 STM 结中实体（如分子、单原子等）的局域激发，这些激发态可通过散射光检测，或调制隧穿过程，或在自旋极化 STM 中诱导自旋翻转。
图 1d 描述了激发态的辐射衰减过程，由隧穿过程产生的激发态通过辐射衰减发射出具有明确光谱特征的光。
图 1e 总结了适用于STM研究的量子系统，涵盖了从电子跃迁、振动和转动激发、激子及其他准粒子激发、电子自旋激发到核自旋激发的广泛光谱范围，展示了入射光频率对这些激发的覆盖能力，强调了STM在研究原子尺度光与物质相互作用时的多功能性和广泛适用性。
三、时空极限下的动力学研究
在时空极限下对动力学过程的研究，是超快光子学与扫描探针技术相结合的核心驱动力之一。这一领域的研究旨在实现对快速动态过程的高空间分辨率观测，为揭示物质在原子尺度上的动态行为提供了关键手段。
扫描隧道显微镜（STM）具备捕捉皮米级电子密度分布的能力，但其自身难以提供电子随时间演变的信息，除非是在电子脉冲泵 - 探测量子点设置中以纳秒级分辨率测量自旋动力学。相比之下，超短激光脉冲能够捕捉电子动力学的时间变化，但无法提供有关单个原子或分子实体局部动态的信息，而这些信息只能通过理论重建来获取。因此，长期以来，科研人员致力于将超短激光脉冲的时间分辨率引入 STM 中，目标是实现一个原子尺度的空间 - 时间显微镜，能够在亚埃（空间）和亚飞秒（时间）尺度上同时实现超高分辨率。
在过去 30 年间，将超快光子学与 STM 结合的努力，因 STM 原子级尖锐探针在受到激光脉冲照射时产生的热波动而受阻。然而，在过去几年中，极低能量的太赫兹和超短光脉冲已成功与 STM 集成，且未产生明显的热噪声，同时在由太赫兹或超短光脉冲的瞬时电场产生的隧穿电流下，
(1))
