Спиновый эффект Холла (ОНА) представляет собой явление переноса предсказывается российскими физиками М. И. Дьяконов и В. И. Перель в 1971 г. [1] [2] Он состоит из появления спинового накопления на боковых поверхностях электрического тока - несущий образец, причем знаки направлений спинов противоположны на противоположных границах. В цилиндрическом проводе индуцированные током поверхностные вращения будут наматываться на провод. Когда текущее направление меняется на противоположное, направление вращения также меняется на противоположное.
Определение
Спиновый эффект Холла - это явление переноса, состоящее в появлении накопления спинов на боковых поверхностях образца, по которому проходит 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 электрическом токопроводящем образце в магнитном поле . В случае классического эффекта Холла накопление заряда на границах является компенсацией силы Лоренца, действующей 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 давно известный в ферромагнетиках аномальный эффект Холла , который также возникает из-за спин-орбитального взаимодействия .
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 спинового тока .
В 1983 г. Аверкиев и Дьяконов [3] предложили способ измерения обратного спинового эффекта Холла при оптической ориентации спина в полупроводниках. Первую экспериментальную демонстрацию обратного спинового эффекта Холла, основанную на этой идее, выполнили Бакун и др. в 1984 году [4]
Термин «спиновой эффект Холла» был введен Хиршем [5], который повторно предсказал этот эффект в 1999 году.
Экспериментально (прямой) спиновый эффект Холла наблюдался в полупроводниках [6] [7] более чем через 30 лет после первоначального предсказания.
Физическое происхождение
Два возможных механизма приводят к возникновению спинового эффекта Холла, при котором электрический ток (состоящий из движущихся зарядов) преобразуется в спиновый ток (ток движущихся спинов без потока заряда). Первоначальный (внешний) механизм, разработанный Дьяконовым и Перелем, состоял из спин-зависимого моттовского рассеяния , когда носители с противоположным спином диффундируют в противоположных направлениях при столкновении с примесями в материале. Второй механизм обусловлен внутренними свойствами материала, когда траектории носителей искажаются из-за спин-орбитального взаимодействия вследствие асимметрии в материале. [8]
Можно интуитивно представить себе внутренний эффект, используя классическую аналогию между электроном и вращающимся теннисным мячом. Теннисный мяч отклоняется от своей прямой траектории в воздухе в направлении, зависящем от направления вращения, что также известно как 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] тензором второго ранга q ij , где первый индекс относится к направлению потока, а второй - к текущему компоненту 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. Это может быть описано в очень простом способе [9] путем введения одного параметра безразмерной сочетании ʏ .
Магнитосопротивление спинового холла
Нет магнитное поле не требуется для спинового эффекта Холла. Однако, если достаточно сильное магнитное поле приложить в направлении, перпендикулярном ориентации спинов на поверхности, 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 второго порядка по спин-орбитальному взаимодействию. Это было отмечено Дьяконовым и Перелем еще в 1971 г. [2], а затем более подробно разработано Дьяконовым. [9] В последние годы спин-холловское магнитосопротивление широко исследовалось 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 , состоящих в перестановке ( замены ) спина и направления потока ( д IJ → д джи ) было предсказано Лифшиц и Дьяконов. [10] Таким образом, поток в направлении x спинов, поляризованных вдоль y , преобразуется в поток в направлении y спинов, поляризованных вдоль x . Это предсказание пока не подтверждено экспериментально.
Оптический мониторинг
Прямой и обратный спиновый эффект Холла можно отслеживать оптическими средствами. Накопление спинов вызывает круговую поляризацию излучаемого света , а также фарадеевское (или керровское ) вращение поляризации прошедшего (или отраженного) света. Наблюдение за поляризацией излучаемого света позволяет наблюдать спиновой эффект Холла.
Совсем недавно, существование прямых и обратных эффектов была продемонстрирована не только в полупроводниках , [11] , но и в металлах . [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. DOI : 10.1007 / 978-3-540-78820-1 . ISBN 978-3-540-78820-1.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ а б в М. И. Дьяконов, В. И. Перель (1971). «Возможность ориентировать электронные спины током» . Сов. Phys. JETP Lett . 13 : 467. Bibcode : 1971JETPL..13..467D .
- ^ а б в г Дьяконов М.И., Перель В.И. (1971). «Индуцированная током спиновая ориентация электронов в полупроводниках». Phys. Lett. . 35 (6): 459. Bibcode : 1971PhLA ... 35..459D . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (71) 90196-4 .
- ^ Н.С. Аверкиев, М.И. Дьяконов (1983). «Ток из-за неоднородной ориентации спина в полупроводниках». Сов. Phys. JETP Lett . 35 : 196.
- ^ 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. JETP Lett . 40 : 1293. Bibcode : 1984JETPL..40.1293B .
- ^ Дж. Э. Хирш (1999). «Эффект спинового холла». Phys. Rev. Lett . 83 (9): 1834–1837. arXiv : cond-mat / 9906160 . Bibcode : 1999PhRvL..83.1834H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.83.1834 . S2CID 59332923 .
- ^ Ю. Като; Р. К. Майерс; AC Gossard; Д.Д. Авшалом (11 ноября 2004 г.). «Наблюдение спинового эффекта Холла в полупроводниках» . Наука . 306 (5703): 1910–1913. Bibcode : 2004Sci ... 306.1910K . DOI : 10.1126 / science.1105514 . PMID 15539563 . S2CID 21374868 .
- ^ Дж. Вундерлих; Б. Кестнер; Я. Синова; Т. Юнгвирт (2005). "Экспериментальное наблюдение эффекта спин-холла в двумерной спин-орбитальной 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 .
- ^ Manchon, A .; Ку, ХК; Nitta, J .; Фролов С.М.; Дуйн, РА (сентябрь 2015 г.). «Новые перспективы спин-орбитальной связи Рашбы». Материалы природы . 14 (9): 871–882. arXiv : 1507.02408 . Bibcode : 2015NatMa..14..871M . DOI : 10.1038 / nmat4360 . ISSN 1476-4660 . PMID 26288976 . S2CID 24116488 .
- ^ а б М.И. Дьяконов (2007). «Магнитосопротивление за счет накопления краевого спина». Phys. Rev. Lett . 99 (12): 126601. arXiv : 0705.2738 . Bibcode : 2007PhRvL..99l6601D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.99.126601 . PMID 17930533 . S2CID 22492919 .
- ^ М.Б. Лифшиц, М.И. Дьяконов (2009). «Обмен спиновых токов». Phys. Rev. Lett . 103 (18): 186601. arXiv : 0905.4469 . Bibcode : 2009PhRvL.103r6601L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.103.186601 . PMID 19905821 . S2CID 28816808 .
- ^ Х. Чжао; EJ Loren; HM van Driel; А.Л. Смирл (2006). «Управление когерентностью холловского заряда и спиновых токов». Phys. Rev. Lett . 96 (24): 246601. Bibcode : 2006PhRvL..96x6601Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.246601 . PMID 16907264 .
- ^ 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 : 2006ApPhL..88r2509S . DOI : 10.1063 / 1.2199473 .
- ^ СО Валенсуэла; М. Тинкхэм (2006). «Прямое электронное измерение спинового эффекта Холла». Природа . 442 (7099): 176–9. arXiv : cond-mat / 0605423 . Bibcode : 2006Natur.442..176V . DOI : 10,1038 / природа04937 . PMID 16838016 . S2CID 4304951 .
- ^ 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 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.98.156601 . PMID 17501368 . S2CID 38362364 .
- ^ Ю. В. Першин; Н.А. Синицын; А. Коган; А. Саксена; Д. Смит (2009). «Управление поляризацией спина с помощью электрического перемешивания: предложение по устройству спинтроники» . Прил. Phys. Lett . 95 (2): 022114. arXiv : 0906.0039 . Bibcode : 2009ApPhL..95b2114P . DOI : 10.1063 / 1.3180494 . S2CID 67771810 .