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

技术摘要：高磁场下金（Au）与银（Ag）原子级接触的电导率

问题陈述
原子尺度的电子传导通常由兰道尔（Landauer）形式描述，其中电导（$G$）由开放通道的数量（$N$）和传输概率（$T_i$）决定。在金（Au）和银（Ag）等单价贵金属中，单原子点接触通常表现出单个开放通道，其电导接近量子电导（$G_0 = 2e^2/h$）。虽然磁性材料（如 Fe、Co）或具有多个开放通道（$N \ge 1$）的系统中的磁电导率已得到广泛研究，但实现一个具有单开放通道的磁活性导体仍然是一个重大挑战。纯 Au 和 Ag 是非磁性的，且以往在较低磁场下的研究表明，它们的电导受磁场影响极小。作者研究了高磁场（高达 20 T）是否能诱导单通道 Au 和 Ag 接触产生显著的电导变化，并确定了其潜在机制。

方法论
本研究结合了实验测量与理论建模：

• 实验装置： 作者利用集成在 20 特斯拉全超导磁体中的低温扫描隧道显微镜（STM）进行研究。测量在 4.2 K 温度下进行，使用 99.99% 纯度的 Au 和 Ag 线材。为确保获得洁净、可重复的原子接触，通过反复压入针尖和样品来对接触区域进行机械退火。这种在每个磁场值下的“重置”方法虽然无法追踪单一接触随时间的变化，但允许对各种接触几何结构下的数万条“电导-距离”曲线进行统计分析。杂质水平经证实是微乎其微的。
• 理论建模：
  • 结构模拟： 使用 LAMMPS 软件包和嵌入原子模型（EAM）势能的经典分子动力学（CMD）模拟了纳米接触的形成与断裂，以生成真实的二聚体构型。
  • 电子结构： 在不受限局部自旋密度近似（LSDA）框架下，利用 Gaussian16 进行密度泛函理论（DFT）计算。这些计算包含了自旋轨道耦合和相对论效应。
  • 输运计算： 使用非平衡格林函数（NEGF）计算电导，采用了 ANT.Gaussian 代码中的一种新实现方式，该实现允许自洽地引入沿 z 方向的磁场。
  • 结合能： 利用 DFT（采用带有 GD3BJ 色散校正的 GGA-PBE 泛函）构建通用结合曲线，以分析接触形成过程中弹性力与磁力之间的相互作用。

主要结果

1. Au 的电导降低： 在单原子 Au 接触中，作者观察到在高磁场下接触电导（$G_b$）会下降。在 20 T 时，在显著比例的接触中，$G_b$ 下降至约 $G_0$ 以下约 15%。这种效应在 Ag 中较不明显。
2. 接触前电导（$G_a$）的增加： 跳跃至接触前的电导（$G_a$）随磁场增加而增加，这一趋势在 Ag 中尤为强烈。这表明磁场诱导了接触形成时平衡间距的改变。
3. 残留氧（$O_2$）的作用： 理论计算表明，纯 Au 和 Ag 本身并不表现出强烈的磁场依赖性。然而，附着在接触点附近的残留 $O_2$ 分子会诱导自旋极化电流。
   • 当一个 $O_2$ 分子直接化学吸附在两个接触的 Au 原子之间时，它会产生一个磁矩（约 1.74 $\mu_B$），并将电导降低至约 $0.8 G_0$，这是由于自旋相关输运引起的。
   • 作者提出，高磁场通过使这些分子的磁矩对齐，诱导了 $O_2$ 分子向接触区域的吸附或“粘附”，从而增加了形成这些导致电导降低的特定构型的概率。
4. 接触形成中的磁各向异性： $G_a$ 的增加（以及相应的键合距离偏移）归因于纳米级缩颈处各向异性表面电流产生的磁转矩。磁场改变了成键过程中的能量平衡，特别是在结合能较低的 Ag 中，导致原子平衡位置在 20 T 时移动了约 0.3 Å。

意义与主张
本文声称，传统的被视为磁惰性的单通道原子导体，在结合了磁活性分子系统时，可以表现出显著的磁响应。其主要意义在于证明了：

• 高磁场可以通过被吸附的 $O_2$ 分子介导，在贵金属原子接触中诱导自旋相关输运。
• 磁场通过对表面电流产生的磁转矩，积极影响原子尺度的接触形成过程（即“跳跃至接触”），从而改变平衡键合距离。
• 通过将贵金属与磁活性分子系统相结合，可以构建具有显著磁场响应的单通道原子尺寸导体，这为在不依赖固有铁磁性的情况下控制原子尺度电子输运提供了一条途径。

作者对于 $O_2$ 吸附的具体机制保持谦逊，指出虽然计算解释了电导降低的原因，但实验中观察到的此类事件频率随高磁场增加的现象，归因于磁场诱导的分子对齐与粘附。他们还指出，$G_b > G_0$ 时电导直方图中的特征仍难以完全解释，这可能与特定的电极形状或多原子接触有关。