Transistor à atome unique

vignette|Cette image montre la structure d'un transistor atomique. Un transistor à atome unique est un dispositif qui peut ouvrir et fermer un circuit électrique par le repositionnement contrôlé et réversible d'un seul atome. Le transistor à atome unique a été inventé et démontré pour la première fois en 2004 par le professeur Thomas Schimmel et son équipe de scientifiques de l'Institut de technologie de Karlsruhe (ancienne université de Karlsruhe). Au moyen d'une petite tension électrique appliquée à une électrode de contrôle, appelée électrode de grille, un seul atome d'argent est déplacé de manière réversible dans et hors d'une minuscule jonction, fermant et ouvrant ainsi un contact électrique. Par conséquent, le transistor à atome unique fonctionne comme un commutateur ou un relais atomique, où l'atome commutable ouvre et ferme l'espace entre deux minuscules électrodes appelées source et drain. Le transistor à un seul atome ouvre des perspectives pour le développement des futures logiques à l'échelle atomique et de l'électronique quantique. En même temps, le dispositif de l'équipe de chercheurs de Karlsruhe marque la limite inférieure de la miniaturisation, car il est impossible de produire par lithographie des éléments de taille inférieure à un atome. Le dispositif représente un transistor quantique, la conductance du canal source-drain étant définie par les règles de la mécanique quantique. Il peut fonctionner à température ambiante et dans des conditions ambiantes, c'est-à-dire qu'il ne nécessite ni refroidissement ni vide. Quelques transistors atomiques ont été mis au point à l'université de Waseda et au CNR italien par Takahiro Shinada et Enrico Prati, qui ont observé la transition Anderson-Mott en miniature en utilisant des réseaux de seulement deux, quatre et six atomes d'As ou de P implantés individuellement.

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Long Spin Lifetime in Rare-Earth Single-Atom Magnets at Surfaces

Boris Sorokin

Further miniaturisation of magnetic storage devices requires an advent of new types of magnets, since classical ferromagnetic materials show lack of remanence at nano- and subnanoscale. A single atom can represent the smallest possible bit of information. Even though the isolated single atoms are paramagnetic, the interaction of surface adsorbed atoms with a substrate can result in high magnetic anisotropy energy and long magnetisation lifetime. In this thesis the magnetic properties of surface supported rare-earth single atoms are investigated with X-ray absorption spectroscopy, X-ray magnetic circular dichroism and multiplet simulations. The first goal of the project was to find new adatom/substrate combinations that exhibit a long adatom magnetic lifetime, possibly extending the current limits of the atomic magnetic moment stability to higher temperatures and longer spin relaxation times. The second objective was to implement the external electric field control of the adatom magnetic properties.Firstly, we present the experimental and theoretical research on Dy and Ho single atoms deposited on BaO. A comparison of our results with similar studies sheds light on the impact of the substrate crystal field, in particular Dy-O bond covalency, on the magnetic stability of the rare-earth adatoms. Next, the detailed experimental investigation of Dy single atoms on ZnO is presented. This adatom/substrate pair is used as first attempt to implement the electric field control of the adatom magnetic properties. Lastly, we study the Dy adatoms on graphene layers grown on various metals. The vibrational modes of the metallic substrates are shown to strongly affect the Dy spin lifetime, while addition of a second graphene layer does not allow to significantly improve the adatom magnetic stability.

EPFL2022