Transport electronic printr-un atom
Care este conductanța celor mai mici circuite electrice imaginabile, formate dintr-un singur atom între doi electrozi metalici? Cum este legată de proprietățile chimice ale speciilor luate în considerare? Fizicienii grupului Quantronic al SPEC de la CEA-Saclay, în colaborare cu două grupuri de la Universitatea Autonomă din Madrid (Spania) și un grup de la Universitatea din Leiden (Olanda), tocmai au adus la această întrebare un experiment, precum și răspuns teoretic, folosind bogăția transportului electric în metale supraconductoare.
Numărul și puterea legăturilor stabilite de atomul central cu vecinii săi determină această conductanță. Fiecare dintre orbitalii de valență ai acestui atom dă naștere unei căi de conducere sau „canal” prin care trece curentul. În prezența unei tensiuni electrice aplicate între electrozi, fluxul de electroni depinde de numărul de canale disponibile și de eficiența fiecăruia dintre ele. Această eficiență se caracterizează printr-un coeficient de transmisie t eu care este determinată de dispunerea atomilor în jurul atomului central. Conductanța totală a contactului este pur și simplu G = G0T, unde T = St eu este transmisia totală și G0 = 2e 2/h = 77 µS = (12,9 k W) -1 este "cuantica conductanței" (e este sarcina electronului și h constanta Planck).
În practică, contactele electrice de dimensiuni atomice au fost obținute de câțiva ani prin diferite tehnici legate de cea a microscopului de tunelare. Echipa Saclay a dezvoltat tehnica joncțiunilor de rupere microfabricate, care oferă stabilitate de neegalat. Folosind tehnici de litografie cu fascicul de electroni, un microbut suspendat având un diametru de ordinul a 100 nm în cel mai îngust punct este tăiat dintr-un strat metalic subțire (vezi FIG. 1). Prin plierea substratului folosind un împingător mecanic, microbuletul este rupt în punctul său cel mai slab. Acest lucru se face într-un vid criogenic pentru a asigura curățenia celor doi electrozi rezultați în urma ruperii. Prin eliberarea stresului, cei doi electrozi sunt apoi aduși în contact. Distanța dintre electrozi este controlată de împingător cu o precizie mai bună de 10 μm ceea ce face posibilă reconstituirea contactului „atom cu atom”.
Pentru fiecare realizare a contactului, se măsoară curentul electric care circulă când se aplică o tensiune electrică. Acest curent crește liniar cu tensiunea atunci când metalul este normal (non-supraconductor) și din această măsurare putem extrage doar un număr, conductanța G (adică transmisia totală T) a contactului. Prin urmare, nu se poate spune nimic despre canalele individuale care alcătuiesc contactul. Dimpotrivă, se pot număra canalele și pot determina eficiența fiecăruia dintre ele măsurând curentul în funcție de tensiunea electrică aplicată în contactele metalelor supraconductoare. Varietatea proceselor de transfer de încărcare în starea supraconductoare, în care electronii pot trece singuri, în perechi sau chiar în pachete mai mari, ajută la separarea contribuției fiecărui canal deschis, deoarece în acest caz sarcina de transport depinde puternic neliniar de fiecare coeficient de transmisie. Figura 2 prezintă exemple de caracteristici curent-tensiune (I-V) obținute pentru diferite contacte Al la temperatură scăzută (30 mK), precum și cele mai bune ajustări teoretice calculate folosind ca parametri liberi numărul de canale și transmisia lor t eu .