Спиновый эффект Холла (СЭХ) — явление переноса, предсказанное российскими физиками Михаилом И. Дьяконовым и Владимиром И. Перелем в 1971 году. [1] [2] Он заключается в появлении накопления спинов на боковых поверхностях образца, несущего электрический ток , причем знаки направлений спинов противоположны на противоположных границах. В цилиндрическом проводе поверхностные спины, вызванные током, будут наматываться вокруг провода. Когда направление тока меняется на противоположное, направления ориентации спинов также меняются на противоположные.
Спиновый эффект Холла — это транспортное явление, заключающееся в появлении накопления спинов на боковых поверхностях образца, несущего электрический ток. Противоположные границы поверхности будут иметь спины противоположного знака. Он аналогичен классическому эффекту Холла , когда заряды противоположного знака появляются на противоположных боковых поверхностях в образце, несущем электрический ток, в магнитном поле . В случае классического эффекта Холла накопление заряда на границах компенсирует силу Лоренца, действующую на носители заряда в образце из-за магнитного поля. Для спинового эффекта Холла, который является чисто спиновым явлением, магнитное поле не требуется. Спиновый эффект Холла принадлежит к тому же семейству, что и аномальный эффект Холла , давно известный в ферромагнетиках , который также возникает из-за спин-орбитального взаимодействия .
Спиновый эффект Холла (прямой и обратный) был предсказан российскими физиками Михаилом Ивановичем Дьяконовым и Владимиром Ивановичем Перелем в 1971 году. [1] [2] Они также впервые ввели понятие спинового тока .
В 1983 году Аверкиев и Дьяконов [3] предложили способ измерения обратного спинового эффекта Холла при оптической ориентации спинов в полупроводниках. Первая экспериментальная демонстрация обратного спинового эффекта Холла, основанная на этой идее, была выполнена Бакуном и др. в 1984 году [4]
Термин «спиновый эффект Холла» был введен Хиршем [5], который повторно предсказал этот эффект в 1999 году.
Экспериментально (прямой) спиновый эффект Холла был обнаружен в полупроводниках [6] [7] более чем через 30 лет после первоначального предсказания.
Два возможных механизма приводят к спиновому эффекту Холла, в котором электрический ток (состоящий из движущихся зарядов) трансформируется в спиновый ток (ток движущихся спинов без потока заряда). Первоначальный (внешний) механизм, разработанный Дьяконовым и Перелем, состоял из спин-зависимого рассеяния Мотта , где носители с противоположным спином диффундируют в противоположных направлениях при столкновении с примесями в материале. Второй механизм обусловлен внутренними свойствами материала, где траектории носителей искажаются из-за спин-орбитального взаимодействия вследствие асимметрии в материале. [8]
Можно интуитивно представить внутренний эффект, используя классическую аналогию между электроном и вращающимся теннисным мячом. Теннисный мяч отклоняется от своего прямого пути в воздухе в направлении, зависящем от направления вращения, также известном как эффект Магнуса . В твердом теле воздух заменяется эффективным электрическим полем из-за асимметрии в материале, 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.
Спиновый ток описывается [1] [2] тензором второго ранга q ij , где первый индекс относится к направлению потока, а второй - к текущей компоненте спина. Таким образом, q xy обозначает плотность потока y -компоненты спина в x -направлении. Введем также вектор q i плотности потока заряда (который связан с нормальной плотностью тока j = e q ), где e - элементарный заряд. Связь между спиновым и зарядовым токами обусловлена спин-орбитальным взаимодействием. Ее можно описать очень просто [9], введя один безразмерный параметр связи ʏ .
Для спинового эффекта Холла не требуется магнитного поля . Однако, если достаточно сильное магнитное поле приложено в направлении, перпендикулярном ориентации спинов на поверхностях, спины будут прецессировать 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, который является эффектом второго порядка по спин-орбитальному взаимодействию. Это было отмечено Дьяконовым и Перелем еще в 1971 году [2] и позднее более подробно разработано Дьяконовым [9] . В последние годы спиновое магнитосопротивление Холла широко изучалось экспериментально как в магнитных, так и в немагнитных материалах (тяжелые металлы, такие как Pt, Ta, Pd, где спин-орбитальное взаимодействие сильное).
Трансформация спиновых токов, состоящая в перестановке ( swapping ) направлений спина и потока ( q ij → q ji ), была предсказана Лифшицем и Дьяконовым. [10] Таким образом, поток в направлении x спинов, поляризованных вдоль y, трансформируется в поток в направлении y спинов, поляризованных вдоль x . Это предсказание пока не подтверждено экспериментально.
Прямой и обратный спиновый эффект Холла можно контролировать оптическими средствами. Накопление спина вызывает круговую поляризацию испускаемого света , а также вращение поляризации Фарадея (или Керра ) прошедшего (или отраженного) света. Наблюдение за поляризацией испускаемого света позволяет наблюдать спиновый эффект Холла.
Совсем недавно существование как прямых, так и обратных эффектов было продемонстрировано не только в полупроводниках , [11] но и в металлах . [12] [13] [14]
Эффект спинового Холла может быть использован для электрического манипулирования электронными спинами. Например, в сочетании с эффектом электрического перемешивания эффект спинового Холла приводит к спиновой поляризации в локализованной проводящей области. [15]
Для обзора спинового эффекта Холла см., например: