Ученые измерили проводимость на атомном уровне

Физикам Университета Токио удалось измерить электрическую проводимость в окрестностях одного атома свинца. Авторы впервые обнаружили, что ее характер может значительно меняться в зависимости от высоты измерительного зонда. Краткий ее обзор опубликован в журнале Physics, а препринт самой статьи, вышедшей в журнале Physical Review Letters, доступен на сайте arXiv.org.

Метод сканирующей туннельной микроскопии заключается в сканировании поверхности образца с помощью очень острой иглы. Между иглой и поверхностью экспериментаторы прикладывают напряжение и измеряют ток, наблюдающийся вследствие туннелирования электронов с образца на иглу. С помощью этого метода можно различить отдельные атомы на поверхности образца, а также совершать различные манипуляции ими (отрыв, перемещение), однако для изучения электропроводности на субатомном уровне необходимо чрезвычайно устойчивое оборудование, не допускающее даже малейших колебаний иглы. В противном случае, поверхность очень легко может быть нарушена, что приведет к искажению результатов измерения.

Авторы работы смогли создать такие условия для сканирования поверхности монокристалла свинца свинцовым же зондом. Атомы свинца формируют на атомном масштабе выпуклый периодический рисунок, который можно сравнить с пчелиными сотами. Когда зонд приближается к образцу очень близко, то атом, находящийся на самом его кончике, может оказаться либо напротив вершины поверхностного атома, либо в углублении, образованном тремя атомами. Ученые обнаружили, что в зависимости от высоты зонда над поверхностью значение проводимости в этих ситуациях может сильно меняться.

Когда зонд скользил над поверхностью на относительной высоте Δz = 100 пикометров (1 ангстрем), проводимость увеличивалась над «вершинами» и падала в «углублениях» и экспоненциально зависела от расстояния между зондом и ближайшим атомом. Это соответствует току, вызванному туннелированием электронов. Когда исследователи опустили зонд глубже, вплоть до значений Δz от 0 до -40 пикометров, зависимость приобрела более крутой характер, связанный с тем, что игла начала касаться поверхности. Но дальнейшее снижение высоты до -50 пикометров сильно изменило сам характер зависимости: проводимость над «вершинами» упала по сравнению с проводимостью в «углублениях».

Ученые связывают это изменение с тем, что при небольшой высоте иглы над образцом в «углублениях» образуются контакты одновременно с тремя атомами, в отличие от «вершин». По словам авторов, их работа доказывает, что в измерениях проводимости с помощью сканирующей туннельной микроскопии важным является даже взаимное расположение атомов.