Spin Hallův efekt - Spin Hall effect

The spin Hallův efekt (SHE) je dopravní jev předpovídaný ruskými fyziky Michail I. Dyakonov a Vladimír I. Perel v roce 1971.[1][2] Skládá se ze vzhledu roztočit akumulace na bočních površích an elektrický proud - nesoucí vzorek, známky směru otáčení jsou opačné na opačných hranicích. Ve válcovém drátu se proudem indukované povrchové točení bude vinout kolem drátu. Když je aktuální směr obrácen, obrátí se také směry orientace otáčení.

Schéma spinového Hallova efektu
Schéma inverzního spinového Hallova efektu

Definice

Spinův Hallův jev je transportní jev spočívající ve vzhledu akumulace spinu na bočních površích vzorku nesoucího elektrický proud. Hranice protilehlého povrchu budou mít otočení opačného znaménka. Je to analogické s klasickým Hallův efekt, kde poplatky opačného znaménka se objeví na protilehlých bočních plochách ve vzorku nesoucím elektrický proud v a magnetické pole. V případě klasického Hallova efektu je náboj nahromaděný na hranici kompenzací za Lorentzova síla působící na nosiče náboje ve vzorku v důsledku magnetického pole. Pro spinův Hallův efekt není nutné žádné magnetické pole, což je čistě roztočit fenomén. Spin Hallův efekt patří do stejné rodiny jako anomální Hallův efekt, známý již dlouhou dobu v feromagnety, který také pochází z interakce spin-orbita.

Dějiny

Spinův Hallův efekt (přímý a inverzní) předpověděli ruští fyzici Michail I. Dyakonov a Vladimir I. Perel v roce 1971.[1][2] Poprvé také představili pojem spinový proud.

V roce 1983 Averkiev a Dyakonov[3] navrhl způsob měření inverzního spinového Hallova jevu při optické orientaci spinů v polovodičích. První experimentální demonstraci Hallova jevu s inverzním spinem, založenou na této myšlence, provedli Bakun et al. v roce 1984[4]

Pojem „spin Hallův efekt“ zavedl Hirsch[5] kteří tento účinek předpovídali v roce 1999.

Experimentálně byl (přímý) Hallův efekt pozorován u polovodiče[6][7] více než 30 let po původní predikci.

Fyzický původ

Dva možné mechanismy dávají původ spinovému Hallovmu efektu, ve kterém an elektrický proud (složený z pohyblivých nábojů) se transformuje na spinový proud (proud pohybujících se točení bez toku náboje). Původní (vnější) mechanismus navržený Dyakonovem a Perelem sestával ze spinu závislého Rozptyl Mott, kde nosiče s opačným spinem difundují v opačném směru při srážce s nečistotami v materiálu. Druhý mechanismus je způsoben vnitřními vlastnostmi materiálu, kde jsou trajektorie nosiče zkresleny kvůli interakce spin-orbita v důsledku asymetrií v materiálu.[8]

Jeden si může intuitivně představit vnitřní efekt pomocí klasické analogie mezi elektronem a rotujícím tenisovým míčkem. Tenisový míček se odchyluje od své přímé dráhy ve vzduchu ve směru v závislosti na smyslu otáčení, známém také jako Magnusův efekt. V pevné látce je vzduch nahrazen účinným elektrickým polem v důsledku asymetrií v materiálu, relativní pohyb mezi magnetickým momentem (spojený se spinem) a elektrickým polem vytváří vazbu, která narušuje pohyb elektronů.

Podobně jako u standardního Hallova efektu, jak vnější, tak vnitřní mechanismy vedou k akumulaci protočení opačných znaků na protilehlých bočních hranicích.

Matematický popis

Je popsán spinový proud[1][2] o druhé místo tenzor qij, kde první index odkazuje na směr toku a druhý na spinovou složku, která teče. Tím pádem qxy označuje hustotu toku y- složka rotace v X-směr. Představte také vektor qi hustoty toku náboje (která souvisí s normální hustotou proudu j=Eq), kde E je základní náboj. Spojení mezi spinovými a nabíjecími proudy je způsobeno interakcí spin-orbita. Lze to popsat velmi jednoduchým způsobem[9] zavedením jediného bezrozměrného parametru vazby ʏ.

Spin Hallova magnetorezistence

Hlavní článek: Spin Hallova magnetorezistence

Ne magnetické pole je potřebný pro spin Hallův efekt. Pokud však použijete dostatečně silné magnetické pole ve směru kolmém na orientaci rotací na površích, rotace preces kolem směru magnetického pole a spinův Hallův efekt zmizí. V přítomnosti magnetického pole tedy kombinované působení Hallova jevu s přímým a inverzním spinovým efektem vede ke změně odporu vzorku, což je účinek druhého řádu v interakci spin-orbita. Toto zaznamenali Dyakonov a Perel již v roce 1971[2] a později podrobněji zpracován Dyakonovem.[9] V posledních letech byla spinova Hallova magnetorezistence rozsáhle experimentálně studována jak v magnetických, tak v nemagnetických materiálech (těžké kovy, jako jsou Pt, Ta, Pd, kde je silná interakce spin-orbita).

Výměna spinových proudů

Transformace spinových proudů spočívající v záměně (výměna) směrů odstřeďování a toku (qij → qji) předpovídali Lifshits a Dyakonov.[10] Tok v X- směr otáčení polarizovaných podél y se transformuje na tok v y- směr otáčení polarizovaných podél X. Tato předpověď zatím nebyla experimentálně potvrzena.

Optické monitorování

Hallův přímý a inverzní spinový efekt lze monitorovat optickými prostředky. Akumulace odstřeďování indukuje kruhová polarizace emitovaných světlo, stejně jako Faraday (nebo Kerr ) polarizační rotace procházejícího (nebo odraženého) světla. Pozorování polarizace vyzařovaného světla umožňuje pozorovat spinův Hallův efekt.

Více nedávno byla existence přímých i inverzních účinků prokázána nejen v polovodiče,[11] ale také v kovy.[12][13][14]

Aplikace

Spinův Hallův efekt lze použít k elektrické manipulaci s elektronovými spiny. Například v kombinaci s elektrickým míchacím efektem vede spinův Hallův efekt k polarizaci spinů v lokalizované vodivé oblasti.[15]

Další čtení

Přehled spinového Hallova efektu viz například:

  • Dyakonov, Michail I. (2008). Fyzika odstřeďování v polovodičích. Springer Series in Solid-State Sciences. 157. Springer. doi:10.1007/978-3-540-78820-1. ISBN  978-3-540-78820-1.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Dyakonov a V. I. Perel (1971). "Možnost orientace elektronových točení proudem". Sov. Phys. JETP Lett. 13: 467. Bibcode:1971JETPL..13..467D.
  2. ^ A b C d Dyakonov a V. I. Perel (1971). "Proudem indukovaná spinová orientace elektronů v polovodičích". Phys. Lett. A. 35 (6): 459. Bibcode:1971PhLA ... 35..459D. doi:10.1016/0375-9601(71)90196-4.
  3. ^ N. S. Averkiev a M. I. Dyakonov (1983). "Proud kvůli nehomogenní orientaci spinu v polovodičích". Sov. Phys. JETP Lett. 35: 196.
  4. ^ A. A. Bakun; B. P. Zakharchenya; A. A. Rogachev; M. N. Tkachuk; V. G. Fleisher (1984). "Detekce povrchového fotoproudu v důsledku elektronové optické orientace v polovodiči". Sov. Phys. JETP Lett. 40: 1293. Bibcode:1984JETPL..40.1293B.
  5. ^ J. E. Hirsch (1999). "Spin Hallův efekt". Phys. Rev. Lett. 83 (9): 1834–1837. arXiv:cond-mat / 9906160. Bibcode:1999PhRvL..83,1834H. doi:10.1103 / PhysRevLett.83.1834.
  6. ^ Y. Kato; R. C. Myers; A. C. Gossard; D. D. Awschalom (11. listopadu 2004). „Pozorování Spin Hallova jevu v polovodičích“. Věda. 306 (5703): 1910–1913. Bibcode:2004Sci ... 306.1910K. doi:10.1126 / science.1105514. PMID  15539563.
  7. ^ J. Wunderlich; B. Kaestner; J. Sinova; T. Jungwirth (2005). „Experimentální pozorování Spin-Hallova jevu v dvourozměrném spinu-orbitově vázaném polovodičovém systému“. Phys. Rev. Lett. 94 (4): 047204. arXiv:cond-mat / 0410295. Bibcode:2005PhRvL..94d7204W. doi:10.1103 / PhysRevLett.94.047204. PMID  15783592.
  8. ^ Manchon, A .; Koo, H. C .; Nitta, J .; Frolov, S. M .; Duine, R. A. (září 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. ISSN  1476-4660. PMID  26288976.
  9. ^ A b Dyakonov M. I. (2007). Msgstr "Magnetorezistence v důsledku akumulace rotace hran". Phys. Rev. Lett. 99 (12): 126601. arXiv:0705.2738. Bibcode:2007PhRvL..99l6601D. doi:10.1103 / PhysRevLett.99.126601. PMID  17930533.
  10. ^ M. B. Lifshits a M. I. Dyakonov (2009). Msgstr "Zaměnit spinové proudy". Phys. Rev. Lett. 103 (18): 186601. arXiv:0905.4469. Bibcode:2009PhRvL.103r6601L. doi:10.1103 / PhysRevLett.103.186601. PMID  19905821.
  11. ^ H. Zhao; E. J. Loren; H. M. van Driel; A. L. Smirl (2006). "Řízení koherence Hall Charge a točivých proudů". 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. Tatara (2006). "Převod spinového proudu na nabíjecí proud při pokojové teplotě: inverzní spin-Hallův efekt". Aplikovaná fyzikální písmena. 88 (18): 182509. Bibcode:2006ApPhL..88r2509S. doi:10.1063/1.2199473.
  13. ^ S. O. Valenzuela; M. Tinkham (2006). "Přímé elektronické měření Spin Hall efektu". Příroda. 442 (7099): 176–9. arXiv:cond-mat / 0605423. Bibcode:2006 Natur.442..176V. doi:10.1038 / nature04937. PMID  16838016.
  14. ^ T. Kimura; Y. Otani; T. Sato; S. Takahashi; S. Maekawa (2007). "Reverzibilní Spin Hallův efekt při pokojové teplotě". Phys. Rev. Lett. 98 (15): 156601. arXiv:cond-mat / 0609304. Bibcode:2007PhRvL..98o6601K. doi:10.1103 / PhysRevLett.98.156601. PMID  17501368.
  15. ^ Yu. V. Pershin; N. A. Sinitsyn; A. Kogan; A. Saxena; D. Smith (2009). „Řízení polarizace rotace elektrickým mícháním: návrh spintronického zařízení“. Appl. Phys. Lett. 95 (2): 022114. arXiv:0906.0039. Bibcode:2009ApPhL..95b2114P. doi:10.1063/1.3180494.