Эффект спин-холла - Spin Hall effect

В спиновый эффект Холла (SHE) - явление переноса, предсказанное российскими физиками. Михаил Иванович Дьяконов и Владимир И. Перель в 1971 году.[1][2] Он состоит из появления вращение скопление на боковых поверхностях электрический ток - несущий образец, причем знаки направлений вращения противоположны на противоположных границах. В цилиндрическом проводе индуцированные током поверхностные вращения будут наматываться на провод. Когда текущее направление меняется на противоположное, направления вращения также меняются.

Схема спинового эффекта Холла
Схема обратного спинового эффекта Холла

Определение

Спиновый эффект Холла - это явление переноса, состоящее в появлении скопления спинов на боковых поверхностях образца, по которому проходит электрический ток. На противоположных границах поверхности будут спины противоположного знака. Это аналог классического эффект Холла, куда обвинения противоположного знака появляются на противоположных боковых поверхностях в токопроводящем образце в магнитное поле. В случае классического эффекта Холла накопление заряда на границах компенсирует Сила Лоренца воздействуя на носители заряда в образце за счет магнитного поля. Для спинового эффекта Холла магнитное поле не требуется. вращение феномен. Спиновый эффект Холла принадлежит к тому же семейству, что и аномальный эффект Холла, давно известный в ферромагнетики, который также происходит из спин-орбитальное взаимодействие.

История

Спиновый эффект Холла (прямой и обратный) был предсказан российскими физиками Михаилом Дьяконовым и Владимиром Перелем в 1971 году.[1][2] Они также впервые ввели понятие спиновый ток.

В 1983 году Аверкиев и Дьяконов[3] предложил способ измерения обратного спинового эффекта Холла при оптической ориентации спина в полупроводниках. Первая экспериментальная демонстрация обратного спинового эффекта Холла, основанная на этой идее, была выполнена Бакун и др. в 1984 г.[4]

Термин «спиновой эффект Холла» ввел Хирш.[5] кто повторно предсказал этот эффект в 1999 году.

Экспериментально (прямой) спиновый эффект Холла наблюдался в полупроводники[6][7] более 30 лет после первоначального предсказания.

Физическое происхождение

Два возможных механизма приводят к возникновению спинового эффекта Холла, в котором электрический ток (состоящий из движущихся зарядов) превращается в спиновый ток (ток движущихся спинов без потока заряда). Первоначальный (внешний) механизм, разработанный Дьяконовым и Перелем, состоял из спин-зависимых Рассеяние Мотта, где носители с противоположным спином диффундируют в противоположных направлениях при столкновении с примесями в материале. Второй механизм связан с внутренними свойствами материала, когда траектории носителя искажаются из-за спин-орбитальное взаимодействие как следствие асимметрии материала.[8]

Внутренний эффект можно интуитивно представить, используя классическую аналогию между электроном и вращающимся теннисным мячом. Теннисный мяч отклоняется от своей прямой траектории в воздухе в направлении, зависящем от направления вращения, также известного как направление вращения. Эффект Магнуса. В твердом теле воздух заменяется эффективным электрическим полем из-за асимметрии материала, относительное движение между магнитным моментом (связанным со спином) и электрическим полем создает связь, которая искажает движение электронов.

Подобно стандартному эффекту Холла, как внешний, так и внутренний механизмы приводят к накоплению спинов противоположных знаков на противоположных боковых границах.

Математическое описание

Спиновый ток описывается[1][2] второстепенным тензор qij, где первый индекс относится к направлению потока, а второй - к текущему компоненту вращения. Таким образом qху обозначает плотность потока у-компонент отжима в Икс-направление. Представьте также вектор qя плотности потока заряда (которая связана с нормальной плотностью тока j=еq), куда е это элементарный заряд. Связь между спиновым и зарядовым токами обусловлена ​​спин-орбитальным взаимодействием. Это можно описать очень просто[9] введением единственного безразмерного параметра связи ʏ.

Магнитосопротивление спинового холла

Основная статья: Магнитосопротивление спинового холла

Нет магнитное поле необходим для спинового эффекта Холла. Однако если приложить достаточно сильное магнитное поле в направлении, перпендикулярном ориентации спинов на поверхностях, спины будут прецессия вокруг направления магнитного поля и спиновый эффект Холла исчезнет. Таким образом, в присутствии магнитного поля совместное действие прямого и обратного спинового эффекта Холла приводит к изменению сопротивления образца - эффекту второго порядка по спин-орбитальному взаимодействию. Это отметили Дьяконов и Перель еще в 1971 г.[2] и позже более детально проработанный Дьяконовым.[9] В последние годы спин-холловское магнитосопротивление интенсивно изучается экспериментально как в магнитных, так и в немагнитных материалах (тяжелых металлах, таких как Pt, Ta, Pd, где спин-орбитальное взаимодействие является сильным).

Обмен спиновых токов

Преобразование спиновых токов, заключающееся в перестановке (обмен) направления вращения и потока (qij → qджи) был предсказан Лифшицем и Дьяконовым.[10] Таким образом, поток в Икс-направление спинов, поляризованных вдоль у превращается в поток в у-направление спинов, поляризованных вдоль Икс. Это предсказание пока не подтверждено экспериментально.

Оптический мониторинг

Прямой и обратный спиновый эффект Холла можно контролировать оптическими средствами. Накопление спинов вызывает круговая поляризация из выпущенных свет, так же хорошо как Фарадей (или же Керр ) вращение поляризации проходящего (или отраженного) света. Наблюдение поляризации излучаемого света позволяет наблюдать спиновый эффект Холла.

Совсем недавно существование как прямых, так и обратных эффектов было продемонстрировано не только в полупроводники,[11] но и в металлы.[12][13][14]

Приложения

Спиновый эффект Холла можно использовать для электрического управления спинами электронов. Например, в сочетании с эффектом электрического перемешивания спиновой эффект Холла приводит к спиновой поляризации в локализованной проводящей области.[15]

дальнейшее чтение

Для обзора спинового эффекта Холла см., Например:

  • Дьяконов, Михаил Иванович (2008). Спиновая физика в полупроводниках. Серия Спрингера в науках о твердом теле. 157. Springer. Дои:10.1007/978-3-540-78820-1. ISBN  978-3-540-78820-1.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Дьяконов М.И., Перель В.И. (1971). «Возможность ориентировать электронные спины током». Сов. Phys. ЖЭТФ Lett. 13: 467. Bibcode:1971JETPL..13..467D.
  2. ^ а б c d Дьяконов М.И., Перель В.И. (1971). «Индуцированная током спиновая ориентация электронов в полупроводниках». Phys. Lett. А. 35 (6): 459. Bibcode:1971ФЛА ... 35..459Д. Дои:10.1016/0375-9601(71)90196-4.
  3. ^ Аверкиев Н.С., Дьяконов М.И. (1983). «Ток из-за неоднородной ориентации спина в полупроводниках». Сов. Phys. ЖЭТФ Lett. 35: 196.
  4. ^ А. А. Бакун; Б. П. Захарченя; А. А. Рогачев; М. Н. Ткачук; В. Г. Флейшер (1984). «Обнаружение поверхностного фототока за счет электронной оптической ориентации в полупроводнике». Сов. Phys. ЖЭТФ Lett. 40: 1293. Bibcode:1984JETPL..40.1293B.
  5. ^ Дж. Э. Хирш (1999). «Эффект спинового холла». Phys. Rev. Lett. 83 (9): 1834–1837. arXiv:cond-mat / 9906160. Bibcode:1999PhRvL..83.1834H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.1834.
  6. ^ Ю. Като; Р. К. Майерс; А. К. Госсард; Д. Д. Авшалом (11 ноября 2004 г.). «Наблюдение спинового эффекта Холла в полупроводниках». Наука. 306 (5703): 1910–1913. Bibcode:2004Наука ... 306.1910K. Дои:10.1126 / science.1105514. PMID  15539563.
  7. ^ Дж. Вундерлих; Б. Кестнер; Я. Синова; Т. Юнгвирт (2005). «Экспериментальное наблюдение эффекта спин-холла в двумерной спин-орбитальной полупроводниковой системе». Phys. Rev. Lett. 94 (4): 047204. arXiv:cond-mat / 0410295. Bibcode:2005PhRvL..94d7204W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.047204. PMID  15783592.
  8. ^ Manchon, A .; Koo, H.C .; Nitta, J .; Фролов, С. М .; Дуйн, Р. А. (сентябрь 2015 г.). «Новые перспективы спин-орбитальной связи Рашбы». Материалы Природы. 14 (9): 871–882. arXiv:1507.02408. Bibcode:2015НатМа..14..871M. Дои:10.1038 / nmat4360. ISSN  1476-4660. PMID  26288976.
  9. ^ а б Дьяконов М.И. (2007). «Магнитосопротивление за счет накопления краевого спина». Phys. Rev. Lett. 99 (12): 126601. arXiv:0705.2738. Bibcode:2007PhRvL..99l6601D. Дои:10.1103 / PhysRevLett.99.126601. PMID  17930533.
  10. ^ М. Б. Лифшиц, М. И. Дьяконов (2009). «Обмен спиновых токов». Phys. Rev. Lett. 103 (18): 186601. arXiv:0905.4469. Bibcode:2009ПхРвЛ.103р6601Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.186601. PMID  19905821.
  11. ^ Х. Чжао; Э. Дж. Лорен; Х. М. ван Дриэль; А. Л. Смирл (2006). «Управление когерентностью холловского заряда и спиновых токов». Phys. Rev. Lett. 96 (24): 246601. Bibcode:2006PhRvL..96x6601Z. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.246601. PMID  16907264.
  12. ^ Э. Сайто; М. Уэда; Х. Миядзима; Г. Татара (2006). «Преобразование спинового тока в ток заряда при комнатной температуре: обратный спин-эффект Холла». Письма по прикладной физике. 88 (18): 182509. Bibcode:2006АпФЛ..88р2509С. Дои:10.1063/1.2199473.
  13. ^ С. О. Валенсуэла; М. Тинкхэм (2006). «Прямое электронное измерение спинового эффекта Холла». Природа. 442 (7099): 176–9. arXiv:cond-mat / 0605423. Bibcode:2006Натура.442..176В. Дои:10.1038 / природа04937. PMID  16838016.
  14. ^ Т. Кимура; Ю. Отани; Т. Сато; С. Такахаши; С. Маэкава (2007). «Обратимый спиновый эффект Холла при комнатной температуре». Phys. Rev. Lett. 98 (15): 156601. arXiv:cond-mat / 0609304. Bibcode:2007PhRvL..98o6601K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.98.156601. PMID  17501368.
  15. ^ Ю. В. Першин; Н. А. Синицын; А. Коган; А. Саксена; Д. Смит (2009). «Управление поляризацией спина с помощью электрического перемешивания: предложение по устройству спинтроники». Appl. Phys. Латыш. 95 (2): 022114. arXiv:0906.0039. Bibcode:2009АпФЛ..95б2114П. Дои:10.1063/1.3180494.