Електронний транспорт через атом
Яка провідність найменших електричних ланцюгів, які тільки можна собі уявити, утворених єдиним атомом між двома металевими електродами? Як це пов’язано з хімічними властивостями даного виду? Фізики групи Quantronics SPEC в CEA-Saclay у співпраці з двома групами з Мадридського автономного університету (Іспанія) та групою з Лейденського університету (Нідерланди) щойно підняли до цього питання експериментальний, а також теоретична відповідь, використовуючи багатство електричного транспорту в надпровідних металах.
Цю провідність визначає кількість і міцність зв’язків, встановлених центральним атомом із сусідами. Кожна з валентних орбіталей цього атома створює шлях провідності або "канал", по якому проходить струм. За наявності електричної напруги, що подається між електродами, потік електронів залежить від кількості доступних каналів та ефективності кожного з них. Ця ефективність характеризується коефіцієнтом передачі t i що визначається розташуванням атомів навколо центрального атома. Загальна провідність контакту просто G = G0T, де T = St i - загальна передача, а G0 = 2e 2/h = 77 µS = (12,9 кВт) -1 - "квант провідності" (e - заряд електрона, h - постійна Планка).
На практиці атомні розміри електричних контактів отримували протягом декількох років різними методами, пов'язаними з тунельним мікроскопом. Команда Saclay розробила техніку мікрозбірних розривних з'єднань, що забезпечує неперевершену стабільність. За допомогою методів електронно-променевої літографії підвішений мікромост, діаметр якого в найвужчій точці порядку 100 нм, вирізають із тонкого металевого шару (див. Фіг. 1). Згинаючи підкладку за допомогою механічного штовхача, мікромост руйнується в самому слабкому місці. Це робиться в кріогенному вакуумі, щоб забезпечити чистоту двох електродів, що виникають в результаті поломки. Знімаючи напругу, два електроди потім контактують. Відстань між електродами контролюється штовхачем з точністю, що перевищує 10 мкм, що дає можливість реконструювати контакт "атом за атомом".
Для кожної реалізації контакту вимірюється електричний струм, який циркулює при подачі електричної напруги. Цей струм лінійно зростає із напругою, коли метал нормальний (не надпровідний), і з цього вимірювання ми можемо отримати лише число, провідність G (тобто загальну передачу Т) контакту. Тому нічого не можна сказати про окремі канали, з яких складається контакт. Навпаки, можна підрахувати канали та визначити ефективність кожного з них, вимірюючи струм як функцію електричної напруги, що подається в контактах надпровідних металів. Саме різноманітність процесів переносу заряду в надпровідному стані, коли електрони можуть проходити поодиноко, парами або навіть більшими пакетами, допомагає розв’язати внесок кожного відкритого каналу, оскільки в цьому випадку транспортне навантаження сильно залежить нелінійно від кожного коефіцієнт передачі. На рисунку 2 наведені приклади вольт-амперних характеристик, отриманих для різних Al-контактів при низькій температурі (30 мК), а також найкращі теоретичні регулювання, розраховані з використанням як вільних параметрів кількості каналів та їх передачі t i .
На фіг.3 показаний приклад зміни провідності G, коли контакти розтягуються до їх розриву. Відбувається поступове зменшення передачі, що відображає зменшення кількості контактуючих атомів. Кількість, вказана на кожному рівні, - це кількість каналів, отриманих у кожній точці шляхом аналізу характеристик ВВ.
Ці вимірювання проводили для чотирьох різних матеріалів (Al, Pb, Nb та Au). У кожному випадку кількість каналів на останньому рівні до розриву відповідає валентності хімічного виду.
Рисунок 3: Типовий розвиток загальної провідності G під час безперервного розмикання контактів для алюмінієвого мосту. Стрибки відповідають атомним перебудовам, викликаним обмеженням. Вказується кількість каналів, які сприяють провідності в кожному випадку. Це отримано в результаті теоретичних регулювань струмовольтних характеристик, як на малюнку 2. Позитивні відстані відповідають тунельному режиму.
Три канали для свинцю та алюмінію, п'ять для ніобію. Для контакту із золотом, виконаного локально надпровідним шляхом контакту з надпровідними резервуарами Al, останній рівень відповідає одному каналу провідності, як очікувалося для одновалентного металу. Зверніть увагу, що мінімальний контактний опір атома золота закріплений законами квантової механіки на рівні 12,9 кОм. Усі ці результати показують, що безпосередньо перед розривом ці контакти складаються лише з одного атома. Крім того, було помічено, що ефективність кожного з каналів може бути змінена шляхом стискання або розтягування контакту.
Таким чином, ці експерименти встановлюють зв'язок між транспортними властивостями атомних контактів та хімічними властивостями атомів, що складають контакт. Тут, мабуть, корисно нагадати, що властивості транспорту через масивний метал залежать, навпаки, від зонної структури останнього, яке взагалі мало пов'язане з хімічною валентністю ізольованого металу. Наприклад, хоча в макроскопічному масштабі золото є набагато кращим провідником, ніж свинець, мінімальний опір контакту до атома свинцю може бути, завдяки цим трьом провідним каналам, набагато меншим, ніж у атома золота.
Концепції, що випливають з цього досвіду, становлять перший крок до розуміння законів, які керують електричними ланцюгами в атомному та молекулярному масштабі, кінцевою межею мініатюризації.
Щоб дізнатись більше:
Природа, рейс 394 від 9 липня 98 року.
Фіз. Преподобний Lett. 78, 3535 (1997)