Nanocontatti metallici: il guado degli atomi, degli elettroni, e del loro spin

Prof. Erio Tosatti
Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), Trieste
International Centre for Theoretical Physics (ICTP), Trieste
CNR-INFM/DEMOCRITOS National Simulation Center, Trieste

ABSTRACT: La fisica dei nanocontatti metallici ha avuto sviluppi importanti nell'ultimo decennio. Lavori sperimentali sulla geometria degli atomi in contatti di oro hanno rivelato nuove strutture "magiche", la cui affascinante natura chirale verifica preesistenti congetture teoriche, e la cui presenza si spiega in termini di migrazione di atomi per realizzare minimi locali di una tensione meccanica generalizzata. La proprietà piú direttamente misurabile di un nanocontatto è la conduttanza elettrica. Alla nanoscala, questa non obbedisce piú alla convenzionale legge di Ohm, ma diviene "balistica", cioè completamente determinata dalla probabilità di trasmissione quantistica degli elettroni del metallo attraverso la strozzatura. Descriverò come questa viene calcolata quantitativamente usando approcci basati sui metodi di funzionale densità, e l'accordo che si ottiene cogli esperimenti cosiddetti di "break junction". Lo spin degli elettroni può giocare un ruolo importante nella conduttanza, la quale è fortemente influenzata dal magnetismo. Anche in nanocontatti si prevede e si trova una magnetoresistenza balistica, analoga a quella scoperta da Fert e da Grunberg, e il cui uso negli hard disks ha anche motivato il loro Premio Nobel nel 2007. Calcoli recenti mostrano anche che se un isolante ferroelettrico è interposto fra i due elettrodi metallici, la conduttanza dipenderà sia dalle relative magnetizzazioni che dal verso della polarizzazione ferroelettrica. È interessante infine considerare cosa succede alla corrente elettronica se e quando al nanocontatto si attraversa un atomo o una molecola magnetici -- o anche se gli atomi che fanno da ponte si magnetizzano spontaneamente, come può succedere in platino o in palladio. Ci si aspetta in questo caso il ben noto effetto Kondo, un delicato effetto di schermo a molti corpi dello spin, che qui porta ad anomalie caratteristiche nella conduttanza. Dal punto di vista teorico, i metodi di funzionale densità sono invalidi, sicché capire e calcolare queste anomalie in modo quantitativo resta un problema aperto, malgrado qualche progresso, al quale accennerò in conclusione.