stringtranslate.com

Спиновый эффект Холла

Схема спинового эффекта Холла
Схема обратного спинового эффекта Холла

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.

Определение

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 .

История

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.

Физическое происхождение

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.

Математическое описание

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 .

Спин-холловское магнитосопротивление

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).

Перестановка спиновых токов

Трансформация спиновых токов, состоящая в перестановке ( swapping ) направлений спина и потока ( q ijq 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.

Оптический мониторинг

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]

Приложения

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]

Дальнейшее чтение

Для обзора спинового эффекта Холла см., например:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc М.И. Дьяконов и В.И. Перель (1971). "О возможности ориентации электронных спинов током". Sov. Phys. JETP Lett . 13 : 467. Bibcode :1971JETPL..13..467D.
  2. ^ abcd М. И. Дьяконов и В. И. Перель (1971). "Индуцированная током ориентация спина электронов в полупроводниках". Phys. Lett. A. 35 ( 6): 459. Bibcode :1971PhLA...35..459D. doi :10.1016/0375-9601(71)90196-4.
  3. ^ Н. С. Аверкиев и М. И. Дьяконов (1983). "Ток, обусловленный неоднородной ориентацией спинов в полупроводниках". Письма в ЖЭТФ . 35 : 196.
  4. ^ AA Бакун; BP Захарченя; AA Рогачев; MN Ткачук; VG Флейшер (1984). "Обнаружение поверхностного фототока, обусловленного оптической ориентацией электронов в полупроводнике". Sov. Phys. JETP Lett . 40 : 1293. Bibcode :1984JETPL..40.1293B. Архивировано из оригинала 2018-08-18 . Получено 2008-06-24 .
  5. ^ JE Hirsch (1999). "Спиновый эффект Холла". Phys. Rev. Lett . 83 (9): 1834–1837. arXiv : cond-mat/9906160 . Bibcode :1999PhRvL..83.1834H. doi :10.1103/PhysRevLett.83.1834. S2CID  59332923.
  6. ^ Y. Kato; RC Myers; AC Gossard; DD Awschalom (11 ноября 2004 г.). «Наблюдение эффекта спинового Холла в полупроводниках». Science . 306 (5703): 1910–1913. Bibcode :2004Sci...306.1910K. doi :10.1126/science.1105514. PMID  15539563. S2CID  21374868.
  7. ^ J. Wunderlich; B. Kaestner; J. Sinova; T. Jungwirth (2005). "Экспериментальное наблюдение эффекта спина Холла в двумерной спин-орбитально связанной полупроводниковой системе". Phys. Rev. Lett . 94 (4): 047204. arXiv : cond-mat/0410295 . Bibcode :2005PhRvL..94d7204W. doi :10.1103/PhysRevLett.94.047204. PMID  15783592. S2CID  119357053.
  8. ^ Manchon, A.; Koo, HC; Nitta, J.; Frolov, SM; Duine, RA (сентябрь 2015 г.). «Новые перспективы спин-орбитальной связи Рашбы». Nature Materials . 14 (9): 871–882. ​​arXiv : 1507.02408 . Bibcode :2015NatMa..14..871M. doi :10.1038/nmat4360. ISSN  1476-4660. PMID  26288976. S2CID  24116488.
  9. ^ ab MI Dyakonov (2007). "Магнитосопротивление из-за накопления спинов на краях". Phys. Rev. Lett . 99 (12): 126601. arXiv : 0705.2738 . Bibcode :2007PhRvL..99l6601D. doi :10.1103/PhysRevLett.99.126601. PMID  17930533. S2CID  22492919.
  10. ^ МБ Лифшиц и М.И. Дьяконов (2009). "Обмен спиновыми токами". Phys. Rev. Lett . 103 (18): 186601. arXiv : 0905.4469 . Bibcode :2009PhRvL.103r6601L. doi :10.1103/PhysRevLett.103.186601. PMID  19905821. S2CID  28816808.
  11. ^ H. Zhao; EJ Loren; HM van Driel; AL Smirl (2006). "Управление когерентностью токов Холла и спина". Phys. Rev. Lett . 96 (24): 246601. Bibcode : 2006PhRvL..96x6601Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.246601. PMID  16907264.
  12. ^ E. Saitoh; M. Ueda; H. Miyajima; G. Tattooa (2006). «Преобразование спинового тока в зарядовый ток при комнатной температуре: обратный спин-холловский эффект». Applied Physics Letters . 88 (18): 182509. Bibcode : 2006ApPhL..88r2509S. doi : 10.1063/1.2199473.
  13. ^ SO Valenzuela; M. Tinkham (2006). «Прямое электронное измерение спинового эффекта Холла». Nature . 442 (7099): 176–9. arXiv : cond-mat/0605423 . Bibcode :2006Natur.442..176V. doi :10.1038/nature04937. PMID  16838016. S2CID  4304951.
  14. ^ T. Kimura; Y. Otani; T. Sato; S. Takahashi; S. Maekawa (2007). "Обратимый спиновый эффект Холла при комнатной температуре". Phys. Rev. Lett . 98 (15): 156601. arXiv : cond-mat/0609304 . Bibcode :2007PhRvL..98o6601K. doi :10.1103/PhysRevLett.98.156601. PMID  17501368. S2CID  38362364.
  15. ^ Ю. В. Першин; Н. А. Синицын; А. Коган; А. Саксена; Д. Смит (2009). "Управление спиновой поляризацией с помощью электрического перемешивания: предложение для спинтронного устройства". Appl. Phys. Lett . 95 (2): 022114. arXiv : 0906.0039 . Bibcode :2009ApPhL..95b2114P. doi :10.1063/1.3180494. S2CID  67771810.