Efekt Rashba – Edelstein - Rashba–Edelstein effect

Nesmí být zaměňována s Bychkov – Rashba efekt, někdy také známý jako efekt Rashba.
Vztahy rozptylu Rashba a topologické izolace energie a Fermiho obrysy: sekce vztahu energetické disperze (a) a Fermiho obrysy (b) vytvořené Rashbovým efektem a sekce vztahu energetické disperze (c) a Fermiho obrys (d) na povrchu topologického izolátoru .[1]

The Efekt Rashba – Edelstein (REE) je spintronika související účinek, spočívající v převodu dvojrozměrného nabíjecí proud do roztočit nashromáždění.[1][2] Tento efekt je vnitřní mechanismus přeměny náboje na točení[1] a to předpověděl v roce 1990 vědec V.M. Edelstein.[3] Bylo prokázáno v roce 2013[4] a potvrzeno několika experimentálními důkazy v následujících letech.[2][5][6]

Jeho původ lze připsat přítomnosti spinově polarizovaného povrchu nebo stavů rozhraní.[7] Ve skutečnosti strukturální inverze lámání symetrie (tj. asymetrie strukturní inverze (SIA)) způsobí Efekt Rashba nastat: tento efekt rozbíjí degeneraci spinů energetických pásem a způsobuje, že polarizace spinů je uzamčena na hybnost v každé větvi disperzní vztah.[2] Pokud v těchto spinově polarizovaných povrchových stavech proudí nabíjecí proud, generuje se akumulace spinů.[7] V případě dvojrozměrného plynu Rashba, kde k tomuto rozdělení pásma dochází,[8] tento efekt se nazývá Efekt Rashba – Edelstein.[1][7]

Co se týká třídy zvláštních materiálů, tzv topologické izolátory (TI), spin-splitted povrchové stavy existují kvůli topologii povrchu, nezávisle na efektu Rashba.[9] Topologické izolátory skutečně zobrazují rotačně rozdělené lineární disperzní vztah na jejich površích (tj. Spinálně polarizované Dirac kužely[10]), i když mají velkou mezeru v pásmu (proto se tyto materiály nazývají izolátory).[1] Také v tomto případě jsou uzamčeny rotace a hybnost[2] a když v těchto spinově polarizovaných povrchových stavech proudí nabíjecí proud, vytvoří se akumulace spinu a tento efekt se nazývá Edelsteinův efekt.[7] V obou případech dochází k mechanismu konverze 2D náboj-spin.[7]

Reverzní proces se nazývá inverzní Rashba – Edelsteinův efekt a převádí akumulaci spinu na dvojrozměrný nabíjecí proud, což vede k 2D převodu spinu na nabíjení.[11]

Efekt Rashba – Edelstein a jeho inverzní efekt jsou klasifikovány jako mechanismy interkonverze spin-charge (SCI), jako přímé a inverzní spin Hallův efekt a materiály zobrazující tyto efekty jsou slibným kandidátem na to, aby se z nich staly injektory, detektory a další budoucí technologické aplikace.[1][2][4]

Efekt Rashba – Edelstein je povrchový efekt, v rozporu s efektem spin Hall, což je hromadný efekt.[1] Další rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že efekt Rashba – Edelstein je čistě vnitřní mechanismus, zatímco původ spinového Hallova efektu může být buď vnitřní, nebo vnější.[12]

Fyzický původ

Původ efektu Rashba – Edelstein se opírá o přítomnost spin-split povrchu nebo stavů rozhraní, které mohou vzniknout pro asymetrii strukturní inverze nebo proto, že materiál vykazuje topologicky chráněný povrch, což je topologický izolátor.[1][7] V obou případech se na povrchu materiálu zobrazuje polarizace rotace uzamčená na hybnost, což znamená, že tyto dvě veličiny jsou jednoznačně spojeny a navzájem kolmé (je to jasně viditelné z Fermiho kontury ).[1][7][9][10] Stojí za povšimnutí, že by mohla být přítomna také hromadná inverzní asymetrie, která by vedla k Efekt Dresselhaus.[1] Ve skutečnosti, pokud je kromě prostorové inverzní asymetrie nebo struktury pásu topologického izolátoru přítomna také symetrická inverzní asymetrie, rotace a hybnost jsou stále uzamčeny, ale jejich relativní orientace není přímo určitelná (protože také orientace nabíjecí proud s ohledem na krystalografické osy hraje důležitou roli).[9] V následující diskusi bude efekt Dresselhaus pro jednoduchost zanedbán.[9]

Topologická pásová struktura izolátoru v rovnováze (a) a v nerovnovážné situaci, kdy dochází k procesu přeměny spin-náboj (b). K nerovnovážné situaci by mohly vést dva možné účinky: vstřikování nabíjecího proudu (tj. Nevyváženosti hybnosti), který se převádí na akumulaci spinů (Edelsteinův efekt), nebo injekce spinů, což vede k akumulaci spinů, která produkuje nabíjecí proud (inverzní Edelsteinův efekt).[1]

Pouzdro topologického izolátoru je snadnější vizualizovat díky přítomnosti jediného Fermiho obrysu, proto je nejprve diskutován případ topologického izolátoru. Topologické izolátory zobrazit spin-split povrchové stavy, kde je přítomno zablokování hybnosti spin.[1][2][10] Ve skutečnosti, když nabíjecí proud proudí v povrchových stavech topologického izolátoru, lze to také považovat za dobře definovaný posun hybnosti v vzájemný prostor, což má za následek jiné obsazení spinově polarizovaných větví Diracova kužele.[1] Tato nevyváženost, v souladu se strukturou vztahu disperze topologického izolačního pásu, vytváří akumulaci spinu ve zkoumaném materiálu, tj. Dochází ke konverzi náboje na spinu.[3] Akumulace odstřeďování je kolmá na vstřikovaný nabíjecí proud, v souladu s blokováním točivého momentu.[13] Vzhledem k tomu, že tyto materiály vykazují na svém povrchu vodivé chování, zatímco jsou izolovány na svém objemu, může proud náboje proudit pouze na povrchech topologického izolátoru: toto je původ dvojrozměrnosti této přeměny náboje na spinu mechanismus.[1][14]

Co se týká efektu Rashba – Edelstein, spočívá spin-split disperzní vztah ve dvou pásmech posunutých podél k-osa kvůli asymetrii strukturní inverze (SIA), podle Efekt Rashba (tj. tato pásma vykazují lineární rozdělení dovnitř k v důsledku spin-orbitová vazba[9][15]). Výsledkem jsou dva Fermiho kontury, které jsou soustředné v rovnováze, oba vykazují zablokování točivého momentu, ale s opačným helicita.[9] Pokud je systém poháněn v nerovnovážném stavu vstřikováním nabíjecího proudu, oba disky vytlačují jeden od druhého a vzniká akumulace čisté rotace.[9] K tomuto jevu dochází například v dvojrozměrném plynu Rashba.[1] Rozdělení Rashba komplikuje porozumění a vizualizaci mechanismu přeměny spin-to-charge, ale základní pracovní princip efektu Rashba – Edelstein je velmi podobný principu Edelsteinova.[1][4]

Experimentálně řečeno, efekt Rashba – Edelstein nastává, pokud je nábojový proud elektricky injektován do topologického izolátoru, například pomocí dvou elektrod, kde potenciální rozdíl je použito. Výslednou akumulaci točení lze zkoumat několika způsoby, jedním z nich je použití magneto optický efekt Kerr (MOKE).[1]

Inverzní efekt Rashba – Edelstein

Opačný proces, tj. Inverzní Rashba – Edelsteinův efekt (I (R) EE)[13] nastane, když se uvnitř vyšetřovaného materiálu vytvoří akumulace odstřeďování a na povrchu materiálu vznikne následný nabíjecí proud (v tomto případě máme 2D konverzi spin-to-charge).[1] Aby měl inverzní Rashba – Edelsteinův efekt, je zapotřebí, aby se uvnitř analyzovaného materiálu generovala akumulace odstřeďování a tohoto odstřeďovacího vstřikování se obvykle dosahuje spojením zkoumaného materiálu s feromagnetem za účelem provedení odstřeďování[2][16] nebo s polovodičem, kde je možné provést optickou orientaci.[17][18][19] Pokud jde o přímý efekt, inverzní Rashba – Edelsteinův efekt se vyskytuje v materiálech bez strukturní inverzní symetrie, zatímco v topologických izolátorech vzniká inverzní Edelsteinův efekt.[1]

V případě inverzního Edelsteinova efektu, při pohledu na část Diracův kužel, konverzi spin-to-charge lze vizualizovat takto: injekce spin produkuje hromadění točení jednoho znaku v jedné z větví vztahu disperze energie.[1][7] To má za následek nevyváženost odstřeďování v důsledku různých povolání větví (tj. Akumulace odstřeďování), což vede k nevyváženosti hybnosti, a tedy k nabíjecímu proudu, který lze elektricky zkoumat.[7] Pokud jde o přímý účinek, také v inverzním Edelsteinově efektu může nabíjecí proud proudit pouze po povrchech topologického izolátoru kvůli konformaci energetického pásma.[10] Takto dochází v těchto materiálech ke konverzi 2D spin-to-charge, což by mohlo umožnit využití topologických izolátorů jako detektorů spinů.[2]

Pokud jde o přímý účinek, byla tato analýza provedena pro inverzní Edelsteinův efekt, protože v tomto případě jsou přítomny pouze dvě energetické větve. Co se týká inverzního Rashba – Edelsteinova jevu, proces je velmi podobný i přes přítomnost čtyř energetických větví s blokováním spin-momentu v disperzním vztahu a dvou následných Fermiho vrstev s opačnou helicitou.[1][7] V tomto případě budou dva Fermiho obrysy, když se uvnitř materiálu vytvoří akumulace spinu, posunuty jeden od druhého, generující nabíjecí proud, v rozporu s rovnovážným případem, ve kterém jsou obě Fermiho obrysy soustředné a nemají čistou hybnost nevyváženost ani akumulace odstřeďování.[1][9]

Efektivita procesu

Zatímco jak efekt Rashba – Edelstein, tak i inverzní efekt Rashba – Edelstein spoléhají na akumulaci spinu, hodnota zásluhy procesů se běžně počítá z výpočtu hustoty proudu spinu souvisejícího s akumulací spinu, namísto samotné akumulace spinu, analogicky s úhlem rotace Halla pro efekt rotace Halla.[2] Účinnost efektu Rashba – Edelstein a inverzního efektu Rashba – Edelstein lze odhadnout pomocí délky Rashba – Edelstein, tj. Poměru mezi hustotou nábojového proudu, tekoucí na povrchu zkoumaného materiálu, ( tj. proudová hustota povrchového náboje) a trojrozměrná proudová hustota rotace (protože akumulace rotace může šířit v trojrozměrném prostoru).[2]

V efektu Rashba – Edelstein je spinový proud důsledkem spinové akomodace, ke které dochází v materiálu, když nabíjecí proud proudí na jeho povrchu (pod vlivem rozdílu potenciálů, a tedy i elektrického pole), zatímco v inverzní Rashba – Edelsteinův efekt, spinový proud je množství vstřikované dovnitř materiálu, které vede k akumulaci rotace a má za následek tok náboje lokalizovaný na povrchu materiálu.[1][7] V obou případech má asymetrie v proudových rozměrech náboje a točivého momentu za následek poměr, který dimenzionálně má jednotky délky: toto je původ názvu tohoto parametru účinnosti.[1]

Analyticky lze hodnotu hustoty dvojrozměrného nábojového proudu vypočítat pomocí Boltzmannova rovnice a zvážení působení elektrického pole , což má za následek:[1][9]

,

kde je základní náboj, je čas rozptylu hybnosti, a jsou Fermi wavevector a Fermiho rychlost a je redukovaný Planckova konstanta. Hustotu spinového proudu lze také analyticky vypočítat integrací produktu polarizace spinu přes povrch Fermiho povrchu distribuční funkce V případě efektu Edelstein má toto množství za následek:[1][9]

,

kde je jednotkový vektor kolmý k povrchu, na kterém proudí nabíjecí proud. Z těchto vzorců lze pozorovat ortogonalitu spinu a hustoty nabíjecího proudu.[1]

Co se týče Edelsteinu a jeho inverzních účinků, účinnost konverze je:[1]

.[1][2]

Tento parametr je konvenčně pozitivní pro Fermiho obrys s helicitou proti směru hodinových ručiček.[2] Derivace délky Rashba – Edelstein je stejná jako derivace Edelstein, kromě který je nahrazen Parametr Rashba ,[9] tj., , což má za následek:[1]

.

Rashba – Edelsteinovu délku zkoumaného materiálu lze srovnávat s jinými účinnostmi interkonverze spin-náboj,[2] jako spin-Hallův úhel,[1] zjistit, zda je tento materiál účinným interkonvertorem spin-charge, a zda by tedy mohl být vhodný pro spintronické aplikace.[2] Délka Rashba – Edelstein (účinnost interverze 2D spin-náboje) lze efektivně srovnat s Hallovým úhlem rotace (efektivita interkonverze 3D spin-náboje) dělením parametr pro tloušťku spin-splitted povrchových stavů, ve kterých k této 2D převodu dochází.[4] Tento „ekvivalentní“ rotační Hallův úhel pro efekt Rashba – Edelstein často vede k blízkosti jednoty nebo dokonce větší než jednota:[4] Rashba – Edelsteinův efekt je v průměru účinnějším mechanismem interkonverze spin-náboj než spin Hallův efekt, což by mohlo vést k budoucímu využití materiálů, které tento efekt projeví v technologickém průmyslu.[2][4][20]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q r s t u proti w X y z aa ab ac inzerát ae Zucchetti, Carlo (2019). "Interkonverze roztočení náboje ve strukturách založených na Ge". www.politesi.polimi.it. hdl:10589/145725.
  2. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó Rojas-Sánchez, J.-C .; Oyarzún, S .; Fu, Y .; Marty, A .; Vergnaud, C .; Gambarelli, S .; Vila, L .; Jamet, M .; Ohtsubo, Y .; Taleb-Ibrahimi, A .; Le Fèvre, P .; Bertran, F .; Reyren, N .; George, J.-M .; Fert, A. (1. března 2016). "Spin-pumpování do povrchových stavů topologického izolátoru α-Sn, spin pro nabíjení konverze při pokojové teplotě". Dopisy o fyzické kontrole. 116 (9): 096602. arXiv:1509.02973. doi:10.1103 / PhysRevLett.116.096602. PMID  26991190.
  3. ^ A b Edelstein, V.M. (Leden 1990). "Spinová polarizace vodivých elektronů indukovaných elektrickým proudem v dvourozměrných asymetrických elektronových systémech". Polovodičová komunikace. 73 (3): 233–235. Bibcode:1990SSCom..73..233E. doi:10.1016 / 0038-1098 (90) 90963-C.
  4. ^ A b C d E F Rojas-Sánchez, J. C .; Vila, L .; Desfonds, G .; Gambarelli, S .; Attané, J. P .; De Teresa, J. M .; Magén, C .; Fert, A. (17. prosince 2013). „Převod spin-to-charge pomocí vazby Rashba na rozhraní mezi nemagnetickými materiály“. Příroda komunikace. 4 (1): 2944. Bibcode:2013NatCo ... 4.2944S. doi:10.1038 / ncomms3944. PMID  24343336.
  5. ^ Zhang, H. J .; Yamamoto, S .; Gu, B .; Li, H .; Maekawa, M .; Fukaya, Y .; Kawasuso, A. (22. dubna 2015). „Přenos Charge-to-Spin a difúze spinů u Bi / Ag dvojvrstev pozorovaných pozitronovým paprskem s polarizovanou polarizací“. Dopisy o fyzické kontrole. 114 (16): 166602. Bibcode:2015PhRvL.114p6602Z. doi:10.1103 / PhysRevLett.114.166602. PMID  25955066.
  6. ^ Mellnik, A. R .; Lee, J. S .; Richardella, A .; Grab, J.L .; Mintun, P. J .; Fischer, M. H .; Vaezi, A .; Manchon, A .; Kim, E.A.; Samarth, N .; Ralph, D. C. (23. července 2014). "Kroutící moment přenášený točením generovaný topologickým izolátorem". Příroda. 511 (7510): 449–451. arXiv:1402.1124. Bibcode:2014 Natur.511..449M. doi:10.1038 / příroda13534. PMID  25056062. S2CID  205239604.
  7. ^ A b C d E F G h i j k Bottegoni, F .; Zucchetti, C .; Isella, G .; Bollani, M .; Finazzi, M .; Ciccacci, F. (17. února 2020). „Interkonverze spin-charge v heterostrukturách založených na polovodičích skupiny IV“. La Rivista del Nuovo Cimento. 43 (2): 45–96. Bibcode:2020NCimR..43 ... 45B. doi:10.1007 / s40766-020-0002-0. S2CID  214054493.
  8. ^ Schliemann, John; Loss, Daniel (14 října 2003). "Anizotropní transport v dvourozměrném elektronovém plynu v přítomnosti vazby spin-orbit". Fyzický přehled B. 68 (16): 165311. arXiv:cond-mat / 0306528. Bibcode:2003PhRvB..68p5311S. doi:10.1103 / PhysRevB.68.165311. S2CID  119093889.
  9. ^ A b C d E F G h i j k Gambardella, Pietro; Miron, Ioan Mihai (13. srpna 2011). „Proudem indukované točivé momenty na orbitě. Filozofické transakce Královské společnosti A: Matematické, fyzikální a technické vědy. 369 (1948): 3175–3197. Bibcode:2011RSPTA.369.3175G. doi:10.1098 / rsta.2010.0336. PMID  21727120. S2CID  29025534.
  10. ^ A b C d Hasan, M. Z .; Kane, C. L. (8. listopadu 2010). „Kolokvium: topologické izolátory“. Recenze moderní fyziky. 82 (4): 3045–3067. arXiv:1002.3895. Bibcode:2010RvMP ... 82.3045H. doi:10.1103 / RevModPhys.82.3045. S2CID  16066223.
  11. ^ Isasa, Miren; Martínez-Velarte, M. Carmen; Villamor, Estitxu; Magén, César; Morellón, Luis; De Teresa, José M .; Ibarra, M. Ricardo; Vignale, Giovanni; Chulkov, Evgueni V .; Krasovskii, Eugene E .; Hueso, Luis E .; Casanova, Fèlix (13. ledna 2016). "Původ inverzního efektu Rashba – Edelstein zjištěn na rozhraní Cu / Bi pomocí postranních spinových ventilů". Fyzický přehled B. 93 (1): 014420. Bibcode:2016PhRvB..93a4420I. doi:10.1103 / PhysRevB.93.014420. hdl:10261/136761. S2CID  398872.
  12. ^ Dyakonov, Michail I. (2008). Fyzika točení v polovodičích. Springer. ISBN  978-3-540-78819-5.
  13. ^ A b Shen, Ka; Vignale, G .; Raimondi, R. (5. března 2014). "Mikroskopická teorie inverzního Edelsteinova efektu". Dopisy o fyzické kontrole. 112 (9): 096601. arXiv:1311.6516. Bibcode:2014PhRvL.112i6601S. doi:10.1103 / PhysRevLett.112.096601. PMID  24655266. S2CID  29825170.
  14. ^ Cai, Shu; Guo, Jing; Sidorov, Vladimir A .; Zhou, Yazhou; Wang, Honghong; Lin, Gongchang; Li, Xiaodong; Li, Yanchuan; Yang, Ke; Li, Aiguo; Wu, Qi; Hu, Jiangping; Kushwaha, Satya. K .; Cava, Robert J .; Ne, Liling (23. listopadu 2018). "Nezávislost topologického stavu povrchu a objemové vodivosti v trojrozměrných topologických izolátorech". Kvantové materiály NPJ. 3 (1): 62. arXiv:1807.02000. Bibcode:2018npjQM ... 3 ... 62C. doi:10.1038 / s41535-018-0134-z. S2CID  119366200.
  15. ^ Manchon, A .; Koo, H. C .; Nitta, J .; Frolov, S. M .; Duine, R. A. (20. srpna 2015). "Nové perspektivy pro Rashba spin-orbitovou vazbu". Přírodní materiály. 14 (9): 871–882. arXiv:1507.02408. Bibcode:2015NatMa..14..871M. doi:10.1038 / nmat4360. PMID  26288976. S2CID  24116488.
  16. ^ Xu, Yongbing; Awschalom, David D .; Nitta, Junsaku (11. března 2016). Příručka spintroniky (1. vydání 2016). str. 1–1596. ISBN  978-94-007-6893-2.
  17. ^ Lampel, Georges (4. března 1968). "Jaderná dynamická polarizace optickou elektronickou saturací a optickým čerpáním v polovodičích". Dopisy o fyzické kontrole. 20 (10): 491–493. Bibcode:1968PhRvL..20..491L. doi:10.1103 / PhysRevLett.20.491.
  18. ^ Meier, F .; Zakharchenya, B.P. (1. listopadu 1984). Optická orientace. Elsevierova věda. ISBN  9780444599919.
  19. ^ Dyakonov, Michel; Perel, Valerie (1984). "Teorie optické orientace spinu elektronů a jader v polovodičích". Optická orientace. Moderní problémy ve vědách o kondenzovaných látkách. 8. s. 11–71. doi:10.1016 / B978-0-444-86741-4.50007-X. ISBN  9780444867414.
  20. ^ Ghiasi, Talieh S .; Kaverzin, Alexey A .; Blah, Patrick J .; van Wees, Bart J. (13. srpna 2019). „Přenos Charge-to-Spin efektem Rashba – Edelstein ve dvourozměrných van der Waalsových heterostrukturách až do teploty místnosti“. Nano dopisy. 19 (9): 5959–5966. doi:10.1021 / acs.nanolett.9b01611. PMC  6746057. PMID  31408607.