Електронен транспорт през атом
Каква е проводимостта на най-малките електрически вериги, които можем да си представим, образувани от един атом между два метални електрода? Как е свързано с химичните свойства на разглеждания вид? Физиците от групата Quantronic на SPEC в CEA-Saclay, в сътрудничество с две групи от Автономния университет в Мадрид (Испания) и група от университета в Лайден (Холандия), току-що поставиха към този въпрос експериментален, както и теоретичен отговор, използващ богатството на електрическия транспорт в свръхпроводящи метали.
Броят и силата на връзките, установени от централния атом със съседите му, определят тази проводимост. Всяка от валентните орбитали на този атом поражда проводимост или "канал", през който преминава токът. При наличие на електрическо напрежение, приложено между електродите, потокът на електроните зависи от броя на наличните канали и ефективността на всеки от тях. Тази ефективност се характеризира с коефициент на предаване t i което се определя от разположението на атомите около централния атом. Общата проводимост на контакта е просто G = G0T, където T = St i е общото предаване и G0 = 2e 2/h = 77 µS = (12,9 k W) -1 е "квантът на проводимостта" (e е зарядът на електрона и h константата на Планк).
На практика електрическите контакти с атомни размери се получават от няколко години чрез различни техники, свързани с тази на тунелния микроскоп. Екипът на Saclay е разработил техниката на микрофабрикуваните кръстовища, която осигурява несравнима стабилност. Използвайки техники за литография с електронен лъч, окачен микромост с диаметър от порядъка на 100 nm в най-тясната си точка се изрязва от тънък метален слой (виж фигура 1). Чрез огъване на основата с помощта на механичен тласкач, микромостът се счупва в най-слабото си място. Това се прави в криогенен вакуум, за да се осигури чистотата на двата електрода в резултат на счупването. Чрез освобождаване на напрежението двата електрода след това се свързват. Разстоянието между електродите се контролира от тласкача с точност, по-добра от 10 μm, което прави възможно възстановяването на контакта "атом по атом".
За всяка реализация на контакта се измерва електрическият ток, който циркулира при подаване на електрическо напрежение. Този ток се увеличава линейно с напрежението, когато металът е нормален (не е свръхпроводящ) и от това измерване можем да извлечем само число, проводимостта G (т.е. общото предаване T) на контакта. Следователно нищо не може да се каже за отделните канали, които изграждат контакта. Напротив, може да се преброят каналите и да се определи ефективността на всеки от тях чрез измерване на тока като функция на електрическото напрежение, приложено в контакти на свръхпроводящи метали. Разнообразието от процеси на пренос на заряд в свръхпроводящо състояние, при което електроните могат да преминават единично, по двойки или дори в по-големи пакети, помага да се раздели приносът на всеки отворен канал, защото в този случай транспортното натоварване зависи силно нелинейно на всеки коефициент на предаване. Фигура 2 показва примери за характеристики на токовото напрежение (I-V), получени за различни Al контакти при ниска температура (30 mK), както и най-добрите теоретични настройки, изчислени като се използват като свободни параметри броят на каналите и тяхното предаване t i .