Tesi Prova finale di Fisica II

Presentazione per la prova finale

Quantum corral: quantum mirage

Gabriele Quarta, Ingegneria Fisica

Quantum corral

Definizione

Deposizione di singoli atomi (es. Ag, Fe) in forma di anello chiuso di dimensioni nanometriche (30-80 atomi), su un substrato metallico (es. Ag, Cu) anatomicamente pulito con specifici tagli cristallografici (111). Costruito tramite manipolazione atomica con un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM).

Quantum mirage

Definizione del fenomeno

Posizionando un atomo (es. Ag, Fe, Co) in uno dei due fuochi di un recinto quantico ellittico, è possibile misurare le sue proprietà elettroniche anche nell’altro fuoco come se fosse presente un atomo in entrambi i fuochi. Scansionando con STM si misura la densità degli stati localizzati in superficie (LDOS). Il recinto ellittico crea un confinamento degli stati elettronici dell’atomo in uno dei due fuochi, in una densità descritta da un’onda stazionaria. La geometria del recinto determina che lo scattering degli stati sia massimamente costruttiva nell’altro fuoco.

Effetto Kondo

L'effetto Kondo è il nome dato alla risposta a bassa energia del mare di Fermi di un metallo a un’impurità magnetica. Negli esperimenti sul miraggio, l’impurità magnetica (Co) si trovava sulla superficie di Cu(111). Il modello canonico (e più semplice) di un momento magnetico locale in un ospite metallico è stato dato da Anderson nel 1961. Il primo termine rappresenta l'energia degli elettroni del mare di Fermi (assunti non interagenti), il secondo termine rappresenta l'energia di un singolo sito localizzato (un'approssimazione al livello atomico d o f di un atomo), il terzo termine rappresenta una repulsione in sito se due elettroni cercano di occupare il livello localizzato, e l'ultimo termine rappresenta l’ibridazione tra il momento locale e gli elettroni di conduzione. Il modello Kondo è un limite speciale del modello di Anderson. L’Hamiltoniana di Kondo include un termine di scattering puramente potenziale che compare anche nella teoria del secondo ordine, con l'operatore di spin dell’impurità e le matrici di spin di Pauli.

Tecnologia STM

La tecnologia STM si basa sulla corrente generata tra la punta e il campione per effetto tunnel elettronico. L’effetto tunnel è un fenomeno quantistico per cui la particella ha probabilità non nulla di superare una barriera di energia potenziale maggiore della sua energia cinetica. Per avere un effetto misurabile, la distanza punta-campione deve essere di pochi Ångström.

• L’altezza della barriera è la media dei potenziali di estrazione di punta e campione.
• Probabilità di una funzione evanescente in funzione della larghezza della barriera.
• Densità di corrente generata per effetto tunnel.

Corrente di effetto tunnel tra punta e campione in STM.

Modalità di funzionamento

Corrente costante: Immagine topografica. Attraverso un feedback loop viene corretta altezza. Restituisce la morfologia del campione, ottengo la densità locale degli stati.

Distanza punta-campione costante: Da questa misura posso ottenere una caratterizzazione dI/dV, che corrisponde alla densità locale di stati (LDOS), in funzione di V (analisi spettrale) o di (x,y). Il feedback viene spento e in una posizione fissa viene variato il potenziale, misurando la corrente. Ottengo la spettroscopia locale.

Stati di superficie

Gli stati superficiali sono stati elettronici che si formano in materiali cristallini a seguito di un particolare taglio cristallografico [solitamente Cu(111), Au(111), e Ag(111)] della superficie del cristallo. Questi stati sono associati a una particolare energia di Fermi che cade all'interno di una banda di energia proibita per gli elettroni che si propagano normali alla superficie del mat...