Investigadores analizan el comportamiento direccional tipo ‘picoantena’ de uniones túnel formadas por defectos superficiales a escala atómica

Investigadores madrileños explican un fenómeno que permite controlar la dirección de emisión de la luz a escala atómica. El trabajo ofrece una explicación detallada sobre cómo un solo átomo puede cambiar el perfil direccional de la luz emitida en experimentos con microscopios de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés Scanning Tunnelling Microscope). 

El laboratorio ‘Photon STM’ de IMDEA Nanociencia es uno de los cuatro microscopios de efecto túnel con los que cuenta este instituto, localizado en el campus de la Universidad Autónoma de Madrid. ¿La peculiaridad de este instrumento? Con él se pueden medir las propiedades ópticas de distintas muestras, ya que cuenta con una extensión que les permite recoger la luz que se emite en los experimentos. 

La manipulación de la luz en la escala nanométrica, por debajo de su longitud de onda, es interesante porque las propiedades de la luz que se recogen en el campo lejano vienen determinadas por lo que ocurre en el campo cercano. Esta manipulación puede llevarse a cabo en microscopios STM porque el campo electromagnético se confina de forma extrema entre dos nanoestructuras metálicas, la punta del microscopio y la muestra, que están separadas una distancia típica de 1 nanómetro. Esta configuración se denomina nanocavidad. Si dentro de esta nanocavidad se introduce un elemento, como un defecto atómico, el sistema pasa a denominarse picocavidad y presenta unas propiedades singulares. Se ha observado que, introduciendo escalones atómicos en las nanocavidades, es posible modificar la dirección de emisión de luz en los experimentos. Este fenómeno, que los investigadores ya habían observado anteriormente, carecía de explicación científica hasta ahora.

El grupo de investigación ‘Photon STM’ en IMDEA Nanociencia, liderado por Alberto Martín Jíménez y Roberto Otero, ha realizado medidas de la luz radiada en un experimento con una picoantena compuesta por una punta STM de oro y una superficie lisa de átomos de plata con un escalón atómico. Durante una medida típica con un microscopio STM, la punta recorre la muestra, barriendo la superficie de un lado a otro mientras recoge la señal. Los investigadores observaron que la luz emitida por cada electrón que hace túnel con la energía adecuada sobre un escalón monoatómico puede ser mayor o menor que la recogida cuando el electrón se inyecta en la parte atómicamente plana de la superficie. 

Mediante una caracterización exhaustiva de la luz emitida por muchos escalones, los investigadores descubrieron que el parámetro que gobierna la intensidad de luz por electrón es la orientación relativa entre las direcciones del escalón y la de recogida de luz, demostrando así que la emisión de luz no se distribuye por igual en todas direcciones del espacio, sino que unas son preferidas a otras con un perfil direccional tipo cardioide.

En colaboración con Antonio Fernández, investigador de IFIMAC-UAM, los autores dilucidaron el mecanismo por el cual se modifica la emisión de luz. En su trabajo, recientemente publicado en Science Advances, explican que en cavidades tan pequeñas como las que existen entre la punta y la muestra del STM, un defecto de tamaño atómico es suficiente para provocar una redistribución importante del campo eléctrico, que pasa a ser muy diferente en ambos lados del escalón, explicando así que el perfil angular de emisión de luz dependa de la orientación del escalón. Este fenómeno puede ser explotado para fabricar una picoantena, un elemento en la nanoescala con el que controlar la direccionalidad de la luz emitida. 

En resumen, para determinar el campo electromagnético –luz- emitido en el campo cercano no sólamente es necesario tener en cuenta la estructura punta-muestra del microscopio, sino también la configuración y defectos de la muestra que se está barriendo, a escala atómica, ya que un sólo defecto atómico puede modificar la dirección en la que se emite esa radiación.

Los autores ven potencial en este método para, eventualmente, sintonizar la dirección de emisión de la luz de moléculas, puntos cuánticos u otros emisores cuánticos. Investigar las propiedades ópticas de los objetos atómicos es crucial no sólamente para avanzar nuestro conocimiento sino también para poder diseñar sistemas que tengan aplicación, por ejemplo, en computación cuántica. 

Este trabajo ha sido realizado en el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA Nanociencia) y el Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC-UAM), y ha sido cofinanciado con la acreditación Excelencia Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S), la acreditación Excelencia María de Maeztu a IFIMAC (CEX2020-000805-M), la beca MSCA-PF STED (101108851) y el proyecto regional MAD2D de Comunidad de Madrid.

Glosario: 

Nanocavidad: hueco formado, en el caso de este artículo, entre la punta de un microscopio STM y la muestra, que se encuentran a una distancia de aproximadamente 1 nanómetro.

Picoantena: término adoptado por los autores para designar el sistema formado por por un defecto atómico (como un escalón de átomos) dentro de una nanocavidad.

Microscopio de efecto túnel (STM): instrumento para tomar imágenes de superficies a nivel atómico, basado en el concepto de efecto túnel. La punta es colocada cerca de la superficie, y los electrones pueden “saltar” de la punta a la muestra gracias al efecto cuántico de túnel, creando una corriente que puede ser medida, y que depende de la distancia a la que se sitúa la punta. Si la punta barre la superficie, se crea un mapa de relieve, o imagen. 

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Referencia bibliográfica

David Mateos et al. Directional picoantenna behavior of tunnel junctions formed by an atomic-scale surface defect. Sci. Adv.10, eadn2295(2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn2295