Only Perception: 近藤效應在純鐵磁質的單原子接點中產生

2009-05-03

近藤效應在純鐵磁質的單原子接點中產生

Nanophysicists find unexpected magnetic effect: Kondo effect noted in single-atom contacts of pure ferromagnets
http://www.physorg.com/news160235209.html

April 29th, 2009

西班牙與美國物理學家研究奈米電子學時發現，在預測距離只有一個原子寬的電接點（electrical contacts）行為時，「大小」真的很重要。

在本週出現於 Nature 期刊中的新研究裡，西班牙 Alicante 大學以及美國休士頓的 Rice 大學物理學家發現，以鐵磁物質（ferromagnetic metals，例如鐵、鈷、鎳）製成的單原子（single-atom）接點，其表現與稍微大一點的版本（其等級為今日電子小玩意所用）非常不同。

"我們發現中這行最後一個原子，在最末端那一個，不想調整（align）它自己以表現如同我們的預期，" 研究共同作者 Doug Natelson 表示，Rice 物理與天文學系副教授。"這所顯示的是，在界定這些材料的特性時，只要減小它們的大小，就能改變你所以為的。"

這些發現集中在「近藤效應（Kondo effect）」上，在磁性材料中研究最多且記錄最詳盡的現象之一。科學家在早期電磁學的研究中學到，一般材料，如銅，在變得較冷時導電性會更好。不過在 1930 年代，科學家發現添加即使是微量的鐵磁材料，例如鐵，將擺脫這種效應。

在 1960 年代，日本物理學家近藤淳（Jun Kondo）解釋了這種效應：將一般材料冷卻時導致原子間較少的振動，也因此較少電阻，在材料中的流動電子傾向使它們的自旋以相反於磁性原子中電子自旋的方向調整。因此，在低溫下，一電子移動通過一磁性雜質（magnetic impurity）時，將翻轉其自旋，也因此自其的路線偏斜。這解釋了為何不管怎麼冷卻，只要有微小的磁性雜質都能導致電阻上升。

基於數十年實驗證據，物理學家原本並沒預期近藤效應在純鐵磁物質（如鐵、鈷、鎳）製成的導線與接點中扮演某種角色。然而，這正是共同作者們Maria Reyes Calvo 與 Carlos Untiedt 於 2008 年在 Untiedt 位於西班牙的實驗室中所發現，發生在實驗室中的現象。Calvo，一位畢業生，研究單元子鐵磁接點，那由 STM 的尖端在一表面升降所創造。

Untiedt 知道 Natelson 在研究類似大小的系統，那以全然不同的方式製造 -- 使材料鋪在一平面上。故 Untiedt 從西班牙政府那裡洽商了一筆旅行輔助金，而且 Natelson 同意在 Rice 觀察 Calvo 的研究重建。

"Reyes 學得很快，而且在幾星期內，她已精通我們用以製造單元子接點的技術，" Natelson 說。"她完成了幾十項由鈷與鎳製成之接點的實驗，而我們在傳導中看見近藤效應的特徵，如同她在西班牙所見。"

共同作者 Joaquin Fernandez-Rossier 與 Juan Jose Palacios，二位都屬於 Alicante 大學，以及 Rutgers 大學的 David Jacob，提供了一種理論性架構來幫助解釋這種意料之外的效應。Natelson 表示，這個團隊的發現是描繪奈米技術獨特效應類型的又一例子。

Natelson 提到原子在表面上所作的事，就是使自己表現如此不同，而且那證明，工程師在這種層級上設計任何東西時需要留心表面效應。

※ 相關報導：

＊ The Kondo effect in ferromagnetic atomic contacts
http://www.nature.com/nature/journal/v458/n7242/abs/nature07878.html

M. Reyes Calvo, Joaquin Fernandez-Rossier,
Juan Jose Palacios, David Jacob, Douglas Natelson &
Carlos Untiedt
Nature 458, 1150-1153 (30 April 2009)
doi: 10.1038/nature07878

...Here we show direct evidence for such changes: electronic transport in atomic-scale contacts of pure ferromagnets (iron, cobalt and nickel), despite their strong bulk ferromagnetism, unexpectedly reveal Kondo physics, that is, the screening of local magnetic moments by the conduction electrons below a characteristic temperature. The Kondo effect creates a sharp resonance at the Fermi energy, affecting the electrical properties of the system; this appears as a Fano–Kondo resonance in the conductance characteristics as observed in other artificial nanostructures. The study of hundreds of contacts shows material-dependent log-normal distributions of the resonance width that arise naturally from Kondo theory. These resonances broaden and disappear with increasing temperature, also as in standard Kondo systems...