Conductance of atomic size contacts of Ag and Au at high magnetic fields

技術要約：高磁場下におけるAuおよびAgの原子サイズ接触のコンダクタンス

問題提起
原子スケールでの電子伝導は、通常、ランドauerの定式化によって記述される。ここでは、コンダクタンス（$G$）は、開いたチャネルの数（$N$）と、それらの透過確率（$T_i$）によって決定される。金（Au）や銀（Ag）のような一価の貴金属において、単一原子のポイントコンタクトは通常、量子コンダクタンス（$G_0 = 2e^2/h$）に近い単一の開いたチャネルを示す。磁性材料（例：Fe、Co）や複数の開いたチャネルを持つシステム（$N \ge 1$）における磁気コンダクタンスの研究は広く行われてきたが、単一チャネルを持つ磁気活性な導体を実現することは依然として大きな課題である。純粋なAuおよびAgは非磁性であり、低磁場での先行研究では、それらのコンダクタンスは磁場に対してほぼ場依存性がないことが示唆されていた。著者らは、高磁場（最大20 T）が単一チャネルのAuおよびAgコンタクトのコンダクタンスに有意な変化を誘起できるかどうかを調査し、その基礎となるメカニズムを特定することを目的としている。

手法
本研究では、実験的測定と理論的モデリングの組み合わせを用いている。

• 実験セットアップ： 著者らは、20テスラの全超伝導マグネットを組み込んだ極低温走査型トンネル顕微鏡（STM）を利用した。測定は4.2 Kにて、純度99.99%のAuおよびAgワイヤを用いて行われた。クリーンで再現性のある原子コンタクトを確保するため、チップと試料を繰り返し押し込み、コンタクト領域を機械的にアニールした。各磁場値においてこの「リセット」アプローチを採用することで、単一のコンタクトを長時間追跡することを避けたが、様々なコンタクト幾何学構造にわたる数万件のコンダクタンス対距離曲線の統計的解析を可能にした。不純物レベルは無視できるほど低いことが確認されている。
• 理論的モデリング：
  • 構造シミュレーション： LAMMPSパッケージと埋め込み原子モデル（EAM）ポテンシャルを用いた古典分子動力学（CMD）により、ナノコンタクトの形成と破断をシミュレートし、現実的なダイマー構成を生成した。
  • 電子構造： 非制限局所スピン密度近似（LSDA）を用いたGaussian16による密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。これらの計算には、スピン軌道相互作用および相対論的効果が含まれている。
  • 輸送計算： 非平衡グリーン関数（NEGF）を用いてコンダクタンスを計算した。これには、z方向の磁場を自己整合的に含めることができるANT.Gaussianコード内の新しい実装を用いた。
  • 結合エネルギー： 接触形成時における弾性的力と磁気的力の相互作用を分析するために、DFT（GD3BJ分散補正付きGGA-PBE汎関数）を用いてユニバーサル結合曲線を作成した。

主な結果

1. Auにおけるコンダクタンス減少： 単一原子のAuコンタクトにおいて、著者らは高磁場下でコンタクトコンダクタンス（$G_b$）が減少することを観察した。20 Tにおいて、$G_b$はかなりの割合のコンタクトで$G_0$を最大約15%下回る。この効果はAgではそれほど顕著ではない。
2. 接触前コンダクタンス（$G_a$）の増加： 接触へのジャンプ直前のコンダクタンス（$G_a$）は、磁場とともに増加する。この傾向は特にAgにおいて強い。これは、結合が形成される平衡分離距離における磁場誘起の修飾を示唆している。
3. 残留酸素（$O_2$）の役割： 理論計算によれば、純粋なAuおよびAg自体は強い磁場依存性を示さない。しかし、コンタクト付近に付着した残留$O_2$分子は、スピン偏極電流を誘起する。
   • $O_2$分子が接触する2つのAu原子の間に直接化学吸着すると、磁気モーメント（約1.74 $\mu_B$）が生じ、スピン依存輸送によりコンダクタンスが$\approx 0.8 G_0$に低下する。
   • 著者らは、高磁場が$O_2$分子の磁気モーメントを整列させることで、コンタクト領域への$O_2$分子の吸着または「付着（sticking）」を誘起し、これら特定のコンダクタンス減少構成を形成する確率を高めていると提案している。
4. コンタクト形成における磁気異方性： $G_a$の増加（および対応する結合形成距離のシフト）は、ナノスケールの狭窄部における異方的な表面電流から生じる磁気トルクに起因する。磁場は、結合エネルギーがより低いAgにおいて、結合プロセスのエネルギーバランスを修飾し、20 Tにおいて原子の平衡位置を約0.3 Åシフトさせる。

意義および主張
本論文は、伝統的に磁気的に不活性であると見なされてきた単一チャネルの原子サイズ導体が、磁気活性な分子システムと組み合わせることで、相当な磁気応答を示すことを主張している。主な意義は以下の通りである：

• 高磁場は、吸着された$O_2$分子を介して、貴金属の原子コンタクトにスピン依存輸送を誘起できること。
• 磁場は、表面電流に対する磁気トルクを通じて、原子スケールのコンタクト形成プロセス（「接触へのジャンプ」）に能動的に影響を与え、平衡結合距離を変化させること。
• 貴金属を磁気活性な分子システムと組み合わせることで、固有の強磁性を利用することなく、磁場に対する有意な応答を持つ単一チャネル原子サイズ導体を構築することが可能であること。

著者らは、$O_2$の吸着に関する具体的なメカニズムについては、計算がコンダクタンス減少を説明しているものの、高磁場下でのこれらのイベントの発生頻度の増加は、磁場による分子の整列と付着に起因すると述べており、控えめな姿勢を保っている。また、$G_b > G_0$におけるコンダクタンスヒストグラムの特徴については、電極の形状や多原子コンタクトに関連している可能性があり、完全には解明できていないことも指摘している。