Engineering spin structures at the atomic scale

Abstract

EL TRABAJO DESARROLLADO A LO LARGO DE ESTA TESIS DOCTORAL SE CENTRA EN EL ESTUDIO DE INTERACCIONES DE ESPÍN. SE HAN ANALIZADO TANTO LAS INTERACCIONES ENTRE ÁTOMOS INDIVIDUALES COMO LA INFLUENCIA DE LA SUPERFICIE QUE LOS SOPORTA. LA INVESTIGACIÓN, REALIZADA EN EL MARCO DE LA ELECTRÓNICA BASADA EN EL TRANSPORTE DE ESPÍN (TAMBIÉN CONOCIDA COMO ESPINTRÓNICA), SE CENTRA EN ASPECTOS MUY CONCRETOS QUE PERSIGUEN CONTRIBUIR, BIEN AL DESARROLLO DE LA MISMA, BIEN A LA COMPRENSIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL MOMENTO DE ESPÍN DESDE EL PUNTO DE VISTA FUNDAMENTAL. CON EL OBJETIVO DE MEJORAR EL ESTADO DEL ARTE DE LAS BASES FÍSICAS QUE GOBIERNAN LA TRANSMISIÓN Y ALMACENAMIENTO DE LA INFORMACIÓN BASADO EN EL GRADO DE LIBERTAD DEL ESPÍN DE LOS ÁTOMOS, EL TRABAJO MUESTRA UN ANÁLISIS EMPÍRICO DE LOS RESULTADOS CONTRASTADOS CON LA LITERATURA Y CON CÁLCULOS TEÓRICOS AB INITIO. CON ESTE PROPÓSITO, ABORDAMOS EL ESTUDIO DESDE DOS PERSPECTIVAS COMPLEMENTARIAS: CÓMO INTERACCIONA EL MOMENTO MAGNÉTICO DE ÁTOMOS INDIVIDUALES CON EL SUSTRATO METÁLICO EN EL QUE SON DEPOSITADOS Y CÓMO INTERACCIONAN LOS MOMENTOS DE ESPÍN DE LOS ÁTOMOS ENTRE SÍ. UN ÁTOMO SOBRE EN UNA SUPERFICIE METÁLICA ES LA UNIDAD MÁS PEQUEÑA CONCEBIBLE PARA EL ALMACENAMIENTO DE LA INFORMACIÓN. LA NATURALEZA BINARIA DE LOS MOMENTOS DE ESPÍN DE LOS ELECTRONES JUNTO A SUS PROPIEDADES ELECTRÓNICAS, GOBERNADAS POR LAS LEYES DE LA MECÁNICA CUÁNTICA, HACEN DE LOS MOMENTOS DE ESPÍN LOS CANDIDATOS IDEALES PARA DESARROLLAR UN NUEVO CONCEPTO DE ELECTRÓNICA, BASADA EN EL TRANSPORTE DEL ESPÍN EN LUGAR DE LA CARGA DE LOS ELECTRONES. LOS MECANISMOS DE LECTURA Y ESCRITURA ELÉCTRICOS DEL ESTADO DE ESPÍN DE CUALQUIER OBJETO FÍSICO NECESARIAMENTE IMPLICAN UN CONTACTO ELÉCTRICO CON LOS ÁTOMOS [1,2,3], QUE EN NUESTRO CASO ESTÁ REPRESENTADO POR EL SUSTRATO METÁLICO. EL MOMENTO DE ESPÍN DE ÁTOMOS INDIVIDUALES DEPOSITADOS SOBRE UNA SUPERFICIE METÁLICA ESTÁ FUERTEMENTE INFLUENCIADO POR LAS PROPIEDADES ELECTRÓNICAS DEL SUSTRATO SOBRE EL QUE SE DEPOSITAN. ESTO ES DEBIDO A QUE LOS ORBITALES DEL ÁTOMO SE ACOPLAN AL CONTINUO DE ELECTRONES DE CONDUCCIÓN DEL METAL. PERO ESTA INFLUENCIA ES RECÍPROCA, YA QUE LAS PROPIEDADES DEL SUSTRATO TAMBIÉN CAMBIAN LOCALMENTE DEBIDO A LA PRESENCIA DE UN ÁTOMO. CONOCER EL COMPORTAMIENTO DE LOS MOMENTOS DE ESPÍN DE LOS ÁTOMOS EN UNA SUPERFICIE METÁLICA ES UNA DE LAS BASES DE LA ESPINTRÓNICA PARA EL DESARROLLO DE PROTOTIPOS A ESCALA ATÓMICA. EN PRIMER LUGAR, EN EL CAPÍTULO 1 SE PRESENTA LA MOTIVACIÓN DE ESTE TRABAJO Y LOS ANTECEDENTES EN EL TEMA QUE SE INVESTIGA. ADEMÁS, EN ESTE CAPÍTULO INTRODUCTORIO SE REVISAN LOS CONCEPTOS FÍSICOS Y DEFINICIONES ESENCIALES PARA LA DISCUSIÓN DEL TRABAJO EXPERIMENTAL. EN EL CAPÍTULO 2 SE DESCRIBEN LAS TÉCNICAS EXPERIMENTALES CON LAS QUE SE HA LLEVADO A CABO ESTE TRABAJO: MICROCOPIA DE EFECTO TÚNEL (STM), MICROSCOPÍA DE EFECTO TÚNEL POLARIZADO EN ESPÍN, ESPECTROSCOPIA DE EFECTO TÚNEL (STS), ESPECTROSCOPIA DE EFECTO TÚNEL POLARIZADO EN ESPÍN (SP-STM) Y MANIPULACIÓN ATÓMICA (LATERAL Y VERTICAL). ASIMISMO, SE DESCRIBE EL SISTEMA MULTI-CÁMARA EN ULTRA ALTO VACÍO DONDE SE HA REALIZADO ESTE TRABAJO EN SU TOTALIDAD, Y LOS PROCESOS DE PREPARACIÓN DE LOS SUSTRATOS, PUNTAS POLARIZADAS EN ESPÍN Y LA EVAPORACIÓN DE ÁTOMOS INDIVIDUALES. LA DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES COMIENZA EN EL CAPÍTULO 3, QUE ESTÁ DEDICADO AL ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA DENSIDAD DE ESTADOS ELECTRÓNICA DE UNA SUPERFICIE DE AG(111) EN EL MOMENTO DE ESPÍN DE UN ÁTOMO DE CO AISLADO. ES CONOCIDO QUE UN ÁTOMO DE CO SOBRE AG(111) EXPERIMENTA UN FENÓMENO DE APANTALLAMIENTO DEL ESPÍN POR PARTE DE LOS ELECTRONES DEL SUSTRATO (EFECTO KONDO) FORMANDO UN MANY-BODY STATE (MBS) [4]. COMO RESULTADO DE ESTE APANTALLAMIENTO DE ESPÍN, EL EFECTO KONDO ANULA EL MOMENTO DE ESPÍN DEL ÁTOMO DANDO LUGAR A UN ESTADO FUNDAMENTAL NO MAGNÉTICO. LA INTENSIDAD DE LAS INTERACCIONES ENTRE LOS ELECTRONES DEL SUSTRATO Y EL MOMENTO DE ESPÍN VIENE REFLEJADA EN LA LLAMADA TEMPERATURA KONDO (TK). EN ESTE CAPÍTULO, COMBINANDO LAS TÉCNICAS STM, STS Y MANIPULACIÓN ATÓMICA, DEMOSTRAMOS COMO ESTA ESCALA DE ENERGÍAS, TK , DEPENDE DE LAS PROPIEDADES ELECTRÓNICAS DEL SUSTRATO AL NIVEL DE FERMI. ASÍ, HACIENDO USO DE ESTE HECHO, EN EL CAPÍTULO 4 DISEÑAMOS ARTIFICIALMENTE UNA DENSIDAD DE ESTADOS, CUYAS PROPIEDADES AL NIVEL DE FERMI HAN SIDO MODIFICADAS. LO HACEMOS CONFINANDO LA DENSIDAD DE ESTADOS DE LA SUPERFICIE DE AG(111) CONSTRUYENDO RESONADORES DE ÁTOMOS (DE COBALTO Y DE PLATA) MEDIANTE MANIPULACIÓN ATÓMICA. CUANDO UN ÁTOMO DE COBALTO VISITA ESTA DENSIDAD DE ESTADOS ARTIFICIAL, LOS ORBITALES ELECTRÓNICOS DEL ÁTOMO CAMBIAN SU DISPOSICIÓN ENERGÉTICA MODIFICANDO, DE ESTA MANERA, EL MOMENTO DE ESPÍN DEL ÁTOMO. EN EL CAPÍTULO 5 CONTINUAMOS CON EL ESTUDIO DE CÓMO INTERACCIONA UN ÁTOMO DE COBALTO EN LA SUPERFICIE AG(111) PERO, EN ESTE CASO, CUANDO EL ÁTOMO YA NO ESTÁ AISLADO SINO QUE SOBRE LA SUPERFICIE SE ENCUENTRAN OTROS ÁTOMOS DE COBALTO. POR MUY PEQUEÑA QUE SEA LA DENSIDAD DE ÁTOMOS SOBRE LA SUPERFICIE, SI ESTÁN SUFICIENTEMENTE CERCA, LOS ÁTOMOS PUEDEN INTERACCIONAR ENTRE ELLOS. ACERCANDO DOS ÁTOMOS DE COBALTO EN AG(111) MEDIANTE MANIPULACIÓN ATÓMICA, A PARTIR DE TÉCNICAS DE ANÁLISIS (STS) Y DE UN MÉTODO QUE HEMOS DESARROLLADO PARA REPRESENTAR LA AMPLITUD DE LA RESONANCIA KONDO, ENCONTRAMOS QUE A PARTIR DE UNA DISTANCIA DE 1.46 NANOMETROS, LOS MBS DE CADA ÁTOMO INTERACCIONAN A TRAVÉS DE UN ÚNICO CONTINUO. FINALMENTE, HEMOS INVESTIGADO EL SISTEMA ÁTOMOS DE COBALTO DEPOSITADOS SOBRE AG(111) EN EL RÉGIMEN EN EL QUE LA INTERACCIÓN RKKY SE HACE PATENTE AL INCREMENTAR EL NÚMERO DE VECINOS DE UN ÁTOMO DE COBALTO (ÁTOMO DE CONTROL). DEL ESTUDIO DE LAS VARIACIONES DE LA RESONANCIA KONDO DEL ÁTOMO DE CONTROL EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE VECINOS HEMOS OBSERVADO UN COMPORTAMIENTO NO MONÓTONO DEL ANCHO DE LÍNEA DE LA RESONANCIA KONDO. ESTE COMPORTAMIENTO RESPONDE A UN ACOPLAMIENTO RKKY ENTRE LOS MOMENTOS DE ESPÍN DE ÁTOMOS VECINOS, EN EL QUE EL DESDOBLAMIENTO DEL ESTADO KONDO SE REFLEJA COMO UN ENSANCHAMIENTO DE LA RESONANCIA KONDO EN LUGAR DE UN DESDOBLAMIENTO. USANDO UN SUSTRATO METÁLICO CON MAGNETISMO NO COLINEAL, UNA MONOCAPA DE MANGANESO SOBRE W(110), EN EL CAPÍTULO 6 ESTUDIAMOS LA COMPETENCIA ENTRE LA INTERACCIÓN DE INTERCAMBIO ENTRE LOS ÁTOMOS DE CO QUE FORMAN PARTE DE CADENAS DE DIFERENTE LONGITUD Y LA INTERACCIÓN DE INTERCAMBIO DE LOS ÁTOMOS DE CO CON LOS ÁTOMOS DE MANGANESO DEL SUSTRATO MÁS CERCANOS. ENCONTRAMOS QUE LA INTERACCIÓN DE CANJE O INTERCAMBIO ENTRE LOS ÁTOMOS DE COBALTO ES ANTIFERROMAGNÉTICA, MIENTRAS QUE LA INTERACCIÓN ENTRE LOS ÁTOMOS DE COBALTO Y EL ÁTOMO DE MANGANESO MÁS CERCANO DEL SUSTRATO ES FERROMAGNÉTICA COMO YA FUE DEMOSTRADO POR SERRATE ET AL [5]. DEBIDO A LA COMPETENCIA ENTRE ESTAS DOS INTERACCIONES, EL ESTADO FUNDAMENTAL DE LAS CADENAS DE COBALTO ES NO COLINEAL. ESTA INVESTIGACIÓN LA LLEVAMOS A CABO MEDIANTE LA TÉCNICA SP-STM, QUE COMBINA LA ALTA RESOLUCIÓN LATERAL DEL MICROSCOPIO DE EFECTO TÚNEL CON SENSIBILIDAD A LA CORRIENTE TÚNEL POLARIZADA EN ESPÍN. REFERENCIAS: [1] KHAJETOORIANS A A, WIEBE J, CHILIAN B AND WIESENDANGER R. SCIENCE 332(6033) 2011 [2] LOTH S, BAUMANN S, LUTZ C, EIGLER D M AND HEINRICH A J. SCIENCE 335(6065) 2012 [3] ROMMING N, HANNEKEN C, MENZEL M, BICKEL J E, WOLTER B, VON BERGMANN K, KUBETZKA A AND WIESENDANGER R. SCIENCE 341(6146) 2013 [4] KONDO, J. (1964). PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS, 32(1), 37-49. [5] SERRATE, D., FERRIANI, P., YOSHIDA, Y., HLA, S. W., MENZEL, M., VON BERGMANN, K., & WIESENDANGER, R. (2010). IMAGING AND MANIPULATING THE SPIN DIRECTION OF INDIVIDUAL ATOMS. NATURE NANOTECHNOLOGY, 5(5), 350-353.