본 실시예들은 단일 원자 치환을 통한 양자 터널링 기반으로 나노미터 스케일의 금속 박막-금속 구조체로 공진 캐비티를 형성하고, 캐비티 내의 물질을 원자 수준으로 다르게 하여 고유 에너지 레벨 변화를 통한 터널링 신호의 미세 조절이 가능하고, 캐비티 내의 물질은 자극 반응형(stimuli responsive) 원자 및 분자 요소가 포함될 수 있고, 터널링 신호 증폭을 위한 구조적 개선도 가능하여 신호 처리 오류를 줄일 수 있고, 극한의 작은 캐비티에서 신호의 이동을 조절할 수 있는 미세 전자/광학 소자로의 응용이 가능한 분자 소자를 제공한다.