Новости науки 23.05.02. Исследуя самые тонкие "провода"

В последние годы появился новый интересный объект исследования - одноатомные металлические цепочки. Недавно испанские ученые провели изучение электронного транспорта в одноатомных золотых цепочках.

С физической точки зрения одноатомные металлические цепочки представляют собой наилучшее приближение к идеальной одномерной металлической системе, c технической - наиболее тонкий "провод", который только можно себе вообразить. Конечно, в плане практическом плане они не могут конкурировать с такими "более традиционными" объектами, как углеродные нанотрубки и полупроводниковые квантовые проволоки (квазиодномерные наноразмерные объекты, в которых носители заряда локализованы в двух направлениях и могут свободно двигаться только вдоль проволоки), но их исследование представляют несомненный физический интерес.

Одноатомные цепочки можно сформировать не из любого металла, а - по "прихоти природы" - только из наиболее драгоценных металлов (см. об этом нашу новость ). Цепочки создаются при низкой (гелиевой) температуре с помощью туннельного микроскопа - зонд туннельного микроскопа и подложка изготовляются из одного материала (например, золота). Сначале зонд и подложка находятся в непосредственном контакте, а потом начинают их медленно раздвигать. Постепенно размер контакта уменьшается и наступает момент, когда его толщина в самом тонком месте достигает всего одного атома (см. схематическое изображение процесса формирования цепочек в упомянутой новости ). Таким образом удается получать одноатомные цепочки длиной до семи атомов.

Ученые из мадридского университета провели исследования электронного транспорта в одноатомных золотых цепочках различной длины в зависимости от приложенного к контактам напряжения [1]. Известно, что при малом приложенном напряжении проводимость одноатомной цепочки близка к квантовому пределу 2e²/h. Причем имеющееся сопротивление h/2e² связано с наличием "берегов"-электродов, а сопротивление собственно одноатомной цепочке равно нулю - электрон проходит ее баллистически (без рассеяния). Дело в том, что дефекты, присутствие которых могло бы приводить к рассеянию электронов, в силу очевидных причин, в одноатомной цепочке отсутствуют, а неупругое рассеяние на фононах (при низких температурах - с испусканием фонона) запрещено законами сохранения энергии и импульса. Однако ситуация должна меняться по мере роста напряжения - с определенного момента электрон оказывается в состоянии испустить фонон (при этом из- за одномерности системы направление движения электрона меняется на противоположное). Наличие обратного рассения, естественно, должно приводить к уменьшению проводимости. Испанским ученым, исследовавшим зависимость проводимости от приложенного напряжения, удалось наблюдать подобный характер поведения проводимости и пороговый характер возникновения диссипации энергии в одноатомных цепочках. Также изучалось влияние упругой деформации и было обнаружено, что растяжение цепочки приводит к существенному увеличению электрон-фононного взаимодействия, что связано с эффектом "смягчения фононных мод" (уменьшения частот колебаний кристаллической решетки). Конечно, в силу неидеальности объекта исследования (длина собственно одноатомной цепочки не превышает 7 атомов, как уже говорилось) система не ведет себя точно так, как следовало бы ожидать в случае бесконечной одноатомной цепочки, так что для количественного описания электрон-фононного взаимодействия в тончайших металлических "проводах" и влияния деформации требуются новые исследования.

Небезынтересно отметить, что плотность тока через тончайший золотой провод достигает фантастической величины - 10⁹ A/см², что более чем порядок превышает критические значения тока, возможные на сегодняшний момент сверхроводниках.

1. Nicolas Argait, Carlos Untiedt, Gabino Rubino-Bollinger, and Sebastian Vieira. Phys.Rev.Lett., v.88, 216803 (2002).

перейти к началу страницы