Electronic transport in metals at the atomic scalecapacitance emergent magnetism and f-electrons influence

Resumen

Vivimos en una era en la que los países tecnológicamente más avanzados crecen exponencialmente su capacidad de manejar información. Esto va ligado a un proceso de desbordante miniaturización de los componentes electrónicos [1], lo cual requiere entender las propiedades fundamentales de la materia en la escala nanométrica donde lo efectos cuánticos comienzan a jugar un papel importante. La nanotecnología puede implementarse en el mundo no sólo desde el punto de vista de los medios de información y telecomunicación sino que también se desarrolla con otros propósitos. Por ejemplo en medicina los científicos tratan de enfrenarse a enfermedades como el cáncer a través del control individual de moléculas o nanopartículas. Esto ofrece la posibilidad de eliminar los agentes maliciosos del organismo sin que ello suponga el deterioro de las células que los rodean. Con otros (aunque no necesariamente distintos) propósitos la comunidad científica está desarrollando nanosensores [5] que responden a estímulos externos como pueden ser los fotones. Esto abre camino a la existencia de nanomotores, máquinas moleculares artificiales [6, 7] o nanorobots [8]. En el caso de las energías alternativas la nanociencia también está teniendo un papel importante. Por ejemplo en la energía solar, donde las células solares convencionales están llegando a un límite superior de eficiencia de alrededor del 32% [9], existen nuevas rutas más baratas como puede ser el uso de células solares sensibilizadas por tinta [10], las cuales pueden usar 1000 veces menor cantidad de material absorbente de luz que las células solares basadas en silicio. Una de las principales ventajas que la nanociencia ofrece en semejante escala de tamaño es que los efectos de superficie de la materia cobran una importancia sin precedentes. En concreto, nosotros estudiamos la materia desde una aproximación de arriba-abajo, en el sentido de que accedemos a la materia en la escala nanométrica desde el manejo previo de sus componentes macroscópicos. La creciente atracción al estudio y acceso de sistemas en la nanoescala ha traído consigo el desarrollo de nueva tecnología que permite este tipo de investigación. Podemos encontrar técnicas de microscopía electrónica como el microscopio electrónico de barrido (SEM) [11] y el microscopio de transmisión electrónica (TEM) [12, 13]. También hay técnicas que no solamente han sido diseñadas para la toma de imágenes sino que permiten el control de sistemas en la escala atómica. Este es el caso de las técnicas conocidas como microscopio de efecto túnel (STM) [17] o microscopio de fuerza atómica (AFM) [16]. Una de las principales características generales de estas técnicas es que cuentan con un sistema electrónico de retroalimentación que mantiene la punta de los microscopios sobre las superficies bajo estudio sin perder el rastro. Existe también la posibilidad de combinar estas técnicas entre sí, por ejemplo la combinación de STM con TEM ha permitido la obtención de medidas simultáneamente ópticas y electrónicas del proceso de creación y ruptura de nanocontactos. Los contactos de tamaño atómico son las uniones más estrechas a las que se puede acceder experimentalmente los cuales se encuentran entre dos electrodos macroscópicos hechos del mismo material [27]. En esta tesis investigamos nanocontactos hechos de metales de alta pureza. La clave de estos sistemas se encuentra en la sección cruzada más estrecha de los mismos, donde las propiedades eléctricas de esta región gobiernan sobre el resto del circuito. El transporte cuántico juega un papel clave en la respuesta eléctrica de los contactos en la escala atómica, dando lugar a nuevos fenómenos que se distinguen de aquellos que ocurren en la materia macroscópica [35, 26, 43]. Las premisas centrales que permiten tener una primera intuición acerca de la conductancia en la escala atómica son dos. Primero, la conductancia del sistema está determinada por la transmisión elástica de los electrones al nivel de Fermi (formalismo de Landauer-Büttiker) y, segundo, el número de canales de transmisión que aparecen en la fórmula de Landauer está determinada por la valencia química de los átomos [44]. Efecto túnel El túnel cuántico [58, 59] entre materiales con propiedades conductoras separados por un medio aislante depende de la altura y la anchura de la barrera de potencial que hay entre ellos. En microscopía STM este efecto se aprovecha para obtener imágenes de superficies conductoras a nivel atómico. La altura de la barrera de potencial viene determinada por la función trabajo del metal bajo estudio y del voltaje de polarización aplicado. La anchura, sin embargo, viene dada por la distancia entre la punta del STM y la muestra. Este espacio entre punta y muestra normalmente consiste en vacío y para reducir el ruido térmico se hace trabajar al microscopio bajo condiciones de criogenia. La corriente túnel evoluciona de manera exponencial con la distancia entre electrodos, por eso es un fenómeno muy útil que proporciona gran precisión a las medidas de microscopía. Capacidad cuántica Las medidas de corriente eléctrica en sistemas de tamaño atómico realizadas con STM o la técnica de ruptura de unión mecánicamente controlada (MCBJ) normalmente se estudian considerando únicamente la conductancia eléctrica. Por tanto, a través de medidas de la impedancia total en estos sistemas obtendríamos un mayor entendimiento de ellos y nuevos fenómenos físicos para ser estudiados. La capacidad eléctrica o simplemente capacidad indica la cantidad de carga que puede ser almacenada por un sistema cuando dos electrodos metálicos están separados por un medio aislante. El condensador accesiblemente más pequeño que existe es aquél en el que sus electrodos están formados por un átomo cada uno. Con nuestro STM de fabricación casera hemos estudiado la capacidad entre sus electrodos, dando lugar a distintos regímenes dependiendo de la distancia entre ellos. Para una distancia grande entre electrodos nos encontramos ante un comportamiento clásico de la capacidad, la cual es inversamente proporcional a la distancia entre electrodos y directamente proporcional al área de los mismos. Cuando los electrodos están demasiado próximos entre sí pero sin tocarse dando lugar al efecto túnel de electrones que pasan de un electrodo al otro, la capacidad experimenta un proceso de fuga en el que su valor se hace más pequeño a medida que aumenta la transmisión entre los electrodos. En un régimen intermedio entre el túnel y las largas distancias entre electrodos, la capacidad evoluciona de una manera aproximadamente constante. En este caso la capacidad pasa a llamarse capacidad cuántica, la cual depende de la densidad de estado de los electrodos del STM. Estos electrodos consisten en pirámides de tamaño atómico enfrentadas entre sí. Influencia del magnetismo en el transporte cuántico Cuando estudiamos materiales magnéticos en la escala macroscópica podemos encontrar en ellos propiedades magnéticas que en general son conocidas y se comportan de una manera esperada. Sin embargo, cuando estudiamos estos mismos materiales en la escala atómica, a veces estas propiedades magnéticas macroscópicas pueden cambiar drásticamente e incluso desaparecer. Además, el magnetismo puede afectar al transporte electrónico a través de estos sistemas. En este trabajo obtenemos información acerca del magnetismo de los materiales bajo estudio a través de medidas de corriente eléctrica a través de ellos. Existen tres principales causas magnéticas que afectan al transporte electrónico. La primera de ellas es la magnetorresistencia [75], donde la resistencia eléctrica de un material depende de la orientación de sus dominios magnéticos. La segunda es la interacción electrón-magnón (EMI), donde las ondas de espín (magnones) son excitadas. Finalmente, la tercera causa magnética es el conocido como efecto Kondo, el cual es un efecto multicuerpo que tiene lugar cuando una impureza magnética es sumergida en un baño de electrones de conducción. Allí, el momento magnético de la impureza es apantallado por los electrones de alrededor los cuales están degenerados en espín. Yendo ahora a la escala mesoscópica el panorama respecto al efecto Kondo cambia un poco. La primera detección de resonancias tipo Kondo con experimentos STM fue hecha sobre átomos de cobalto situados sobre una superficie de oro. Para contactos de tamaño atómico la impureza magnética sería el nivel energético que queda entre las dos reservas de infinitos electrones que suponen los electrodos. De esta manera, a través de un proceso cuántico de intercambio entre espines se llega a un estado de resonancia que se manifiesta en anomalías a voltaje de polarización cero cuando realizamos medidas de conductancia diferencial. Este mecanismo de apantallamiento de momento magnético sirve para indirectamente detectar la presencia de los mismos en sistemas que a priori no contarían con ellos, como hemos hecho en el caso de contactos atómicos hechos de platino. Los experimentos que principalmente hemos llevado a cabo han sido gracias al uso de un microscopio de efecto túnel (STM) de fabricación casera, el cual lo introducimos en una estructura metálica alargada que permite conectar el STM eléctricamente con el exterior, ya que esta estructura se cierra para llevar al STM a condiciones de alto vacío y bajas temperaturas. Estas condiciones de criogenia son requeridas para trabajar con el menor ruido térmico posible así como evitar que partículas del exterior interfieran en las medidas. También amortiguamos mecánicamente el STM con el uso de muelles y neumáticos específicos para tal tarea. Además, prestamos especial atención al apantallamiento de señales electromagnéticas del ambiente que puedan afectar a las medidas y a la detección de señales de ruido eléctricas por efectos de cables y tierras contaminadas, donde mediante el uso de filtros y superficies metálicas logramos disminuir el nivel de ruido. El STM consta de un cuerpo principal que contiene una de las muestras (electrodo) y un vagón que contiene el otro electrodo del material bajo estudio, el cual se desplaza con precisión atómica (picómetros) gracias al uso de materiales piezoeléctricos. Entre los dos electrodos se establece una diferencia de potencial eléctrico que permite el paso de corriente a través de ellos. Esta corriente se amplifica con amplificadores de bajo ruido para poder ser posteriormente registradas en el ordenador y permitir su estudio. Los electrodos del STM constan de un hilo metálico de alta pureza, respectivamente, los cuales se disponen en forma de cruz para evitar que se produzcan zonas de contactos múltiples entre ellos. De esta manera juntándolos y separándolos logramos crear nanocontactos. Además, podemos también estudiar la corriente túnel entre los electrodos cuando éstos están situados a distancias atómicas entre sí pero sin tocarse. Los materiales criogénicos que usamos para enfriar nuestros experimentos son nitrógeno líquido (que está a 77K a presión ambiente) y helio líquido (que está a 4.2K a presión ambiente). El helio líquido es mucho más caro que el nitrógeno líquido, por eso solemos enfriar primero nuestros experimentos con nitrógeno líquido y, una vez alcanzado el equilibrio térmico, lo reemplazamos por helio líquido para bajar aún más la temperatura.