Jump to content

Эффект Рашбы – Эдельштейна

Расщепленные по Рашбе и топологические соотношения дисперсии энергии изолятора и контуры Ферми: сечение уравнения дисперсии энергии (а) и контуры Ферми (б), полученные эффектом Рашбы, и сечение закона дисперсии энергии (в) и контур Ферми (г) на поверхности топологического изолятора . [ 1 ]

Эффект Рашбы-Эдельштейна ( РЭЭ ) — эффект, связанный со спинтроникой , заключающийся в преобразовании двумерного зарядового тока в спиновое накопление. [ 1 ] [ 2 ] Этот эффект представляет собой внутренний механизм преобразования заряда в спин. [ 1 ] и это было предсказано в 1990 году учёным В.М. Эдельштейном. [ 3 ] Это было продемонстрировано в 2013 году. [ 4 ] и подтверждено рядом экспериментальных данных в последующие годы. [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Его происхождение можно объяснить наличием спин-поляризованных поверхностных или интерфейсных состояний. [ 8 ] структурной инверсионной Действительно, нарушение симметрии (т.е. структурная инверсионная асимметрия (SIA)) вызывает возникновение эффекта Рашбы : этот эффект нарушает спиновое вырождение энергетических зон и приводит к тому, что спиновая поляризация фиксируется по импульсу в каждой ветви дисперсионное соотношение . [ 2 ] Если ток заряда течет в этих спин-поляризованных поверхностных состояниях, он генерирует накопление спинов. [ 8 ] В случае двумерного газа Рашбы, где происходит такое расщепление зон, [ 9 ] этот эффект называется эффектом Рашбы-Эдельштейна . [ 1 ] [ 8 ]

Что касается класса своеобразных материалов, называемых топологическими изоляторами (ТИ) , спин-расщепленные поверхностные состояния существуют благодаря топологии поверхности, независимо от эффекта Рашбы. [ 10 ] Топологические изоляторы действительно демонстрируют на своих поверхностях линейное соотношение дисперсии, расщепленное по спину (т.е. спин-поляризованные конусы Дирака). [ 11 ] ), имея при этом запрещенную зону в объеме (поэтому эти материалы называются изоляторами). [ 1 ] Также в этом случае спин и импульс заблокированы. [ 2 ] и когда зарядовый ток протекает в этих спин-поляризованных поверхностных состояниях, происходит накопление спинов, и этот эффект называется эффектом Эдельштейна . [ 8 ] В обоих случаях реализуется двумерный механизм преобразования заряда в спин. [ 8 ]

Обратный процесс называется обратным эффектом Рашбы-Эдельштейна, и он преобразует накопление спина в двумерный ток заряда, что приводит к двумерному преобразованию спина в заряд. [ 12 ]

Эффект Рашбы-Эдельштейна и его обратный эффект классифицируются как механизмы взаимного преобразования спин-заряда (SCI), как прямой и обратный спиновый эффект Холла , а материалы, демонстрирующие эти эффекты, являются многообещающими кандидатами на роль спиновых инжекторов, детекторов и других технологий будущего. приложения. [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ]

Эффект Рашбы-Эдельштейна представляет собой поверхностный эффект, в отличие от спинового эффекта Холла, который является объемным эффектом. [ 1 ] Еще одно различие между ними заключается в том, что эффект Рашбы-Эдельштейна является чисто внутренним механизмом, тогда как происхождение спинового эффекта Холла может быть как внутренним, так и внешним. [ 13 ]

Физическое происхождение

[ редактировать ]

Происхождение эффекта Рашбы-Эдельштейна связано с наличием спин-расщепленных поверхностей или интерфейсных состояний, которые могут возникнуть из-за структурной инверсионной асимметрии или из-за того, что материал имеет топологически защищенную поверхность, являясь топологическим изолятором. [ 1 ] [ 8 ] В обоих случаях поверхность материала демонстрирует спиновую поляризацию, привязанную к импульсу, а это означает, что эти две величины однозначно связаны и ортогональны друг другу (это хорошо видно из счетчиков Ферми ). [ 1 ] [ 8 ] [ 10 ] [ 11 ] Стоит отметить, что также может присутствовать объемная инверсионная асимметрия, которая приведет к эффекту Дрессельхауса . [ 1 ] Фактически, если в дополнение к пространственной инверсионной асимметрии или топологической зонной структуре изолятора присутствует также объемная инверсионная асимметрия, спин и импульс по-прежнему заблокированы, но их относительная ориентация не может быть непосредственно определена (поскольку также ориентация зарядовый ток относительно кристаллографических осей играет важную роль). [ 10 ] В дальнейшем для простоты мы будем пренебрегать эффектом Дрессельхауса. [ 10 ]

Зонная структура топологического диэлектрика в равновесии (а) и в неравновесной ситуации, когда происходит процесс взаимного превращения спин-заряда (б). Два возможных эффекта могут привести к неравновесной ситуации: инжекция зарядового тока (т. е. дисбаланс импульса), который преобразуется в накопление спинов (эффект Эдельштейна), или инжекция спинов, приводящая к накоплению спинов, вызывающему ток заряда (обратный эффект Эдельштейна). [ 1 ]

Случай топологического изолятора легче визуализировать из-за наличия единственного контура Ферми, поэтому сначала обсуждается случай топологического изолятора. Топологические изоляторы демонстрируют состояния расщепленной поверхности, в которых присутствует блокировка спинового момента. [ 1 ] [ 2 ] [ 11 ] Действительно, когда ток заряда течет в поверхностных состояниях топологического изолятора, это также можно рассматривать как четко определенный сдвиг импульса в обратном пространстве , что приводит к разной заселенности спин-поляризованных ветвей конуса Дирака. [ 1 ] Этот дисбаланс, в соответствии со структурой закона дисперсии зон топологического изолятора, приводит к накоплению спинов в исследуемом материале, т. е. происходит зарядово-спиновая конверсия. [ 3 ] Накопление спина ортогонально инжектируемому току заряда в соответствии с блокировкой спинового момента. [ 14 ] В связи с тем, что эти материалы демонстрируют проводящие свойства на своей поверхности, будучи изолирующими по своей массе, ток заряда может течь только по поверхностям топологического изолятора: в этом и заключается причина двумерности этого преобразования заряда в спин. механизм. [ 1 ] [ 15 ]

Что касается эффекта Рашбы-Эдельштейна, то дисперсионное соотношение спин-расщепления состоит из двух полос, смещенных вдоль оси k из-за структурной инверсионной асимметрии (SIA), соответственно эффекту Рашбы (т.е. эти полосы демонстрируют линейное расщепление в k из-за спин-орбитального взаимодействия [ 10 ] [ 16 ] ). В результате образуются два счетчика Ферми , которые в равновесии концентричны, оба демонстрируют блокировку спинового момента, но с противоположной спиральностью . [ 10 ] Если система приводится в состояние вне равновесия путем введения зарядового тока, два диска смещаются один от другого, и возникает суммарное накопление спинов. [ 10 ] Этот эффект имеет место, например, в двумерном газе Рашбы. [ 1 ] Расщепление Рашбы усложняет понимание и визуализацию механизма преобразования спина в заряд, но основной принцип работы эффекта Рашбы-Эдельштейна очень похож на принцип действия эффекта Эдельштейна. [ 1 ] [ 4 ]

С экспериментальной точки зрения, эффект Рашбы-Эдельштейна возникает, если ток заряда электрически инжектируется внутрь топологического изолятора, например, с помощью двух электродов, к которым разность потенциалов приложена . Возникающее в результате накопление спинов можно исследовать несколькими способами, один из них — с помощью магнитооптического эффекта Керра (MOKE) . [ 1 ]

Обратный эффект Рашбы – Эдельштейна

[ редактировать ]

Обратный процесс, т.е. обратный эффект Рашбы–Эдельштейна (I(R)EE) [ 14 ] происходит, когда внутри исследуемого материала генерируется накопление спинов и, как следствие, возникает ток заряда на поверхности материала (в этом случае мы имеем двумерное преобразование спина в заряд). [ 1 ] Чтобы иметь обратный эффект Рашбы – Эдельштейна, необходимо создать накопление спинов внутри анализируемого материала, и эта спиновая инжекция обычно достигается путем соединения исследуемого материала с ферромагнетиком для выполнения спиновой накачки. [ 2 ] [ 17 ] или с полупроводником, где можно выполнить оптическую ориентацию. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Что касается прямого эффекта, то в материалах, лишенных структурной инверсионной симметрии, возникает обратный эффект Рашбы–Эдельштейна, а в топологических изоляторах возникает обратный эффект Эдельштейна. [ 1 ]

В случае обратного эффекта Эдельштейна, глядя на сечение конуса Дирака , преобразование спина в заряд можно визуализировать следующим образом: спиновая инжекция вызывает скопление спинов одного характера в одной из дисперсий энергии ветки отношений. [ 1 ] [ 8 ] Это приводит к дисбалансу спинов из-за различных заполнений ветвей (т.е. накоплению спинов), что приводит к дисбалансу импульса и, следовательно, к зарядному току, который можно измерить электрически. [ 8 ] Что касается прямого эффекта, то и при обратном эффекте Эдельштейна ток заряда может течь только по поверхностям топологического изолятора из-за конформации энергетической зоны. [ 11 ] Именно так в этих материалах происходит двумерное преобразование спина в заряд, и это может позволить использовать топологические изоляторы в качестве детекторов спина. [ 2 ]

Что касается прямого эффекта, то данный анализ проведен для обратного эффекта Эдельштейна, поскольку в этом случае присутствуют только две энергетические ветви. Что касается обратного эффекта Рашбы–Эдельштейна, то процесс очень похож, несмотря на наличие четырех энергетических ветвей с блокировкой спинового момента в дисперсионном уравнении и двух последовательных ферми-контуров с противоположной спиральностью. [ 1 ] [ 8 ] В этом случае два счетчика Ферми, когда внутри материала генерируется накопление спинов, будут смещаться друг от друга, создавая ток заряда, в отличие от равновесного случая, в котором два счетчика Ферми концентричны и нет суммарного импульса. ни дисбаланса, ни накопления спина нет. [ 1 ] [ 10 ]

Эффективность процесса

[ редактировать ]

Хотя и эффект Рашбы-Эдельштейна, и обратный эффект Рашбы-Эдельштейна основаны на накоплении спина, добротность процессов обычно вычисляется путем учета плотности спинового тока, связанной с накоплением спина, а не самого накопления спина. по аналогии со спиновым углом Холла для спинового эффекта Холла. [ 2 ] Действительно, эффективность эффекта Рашбы–Эдельштейна и обратного эффекта Рашбы–Эдельштейна можно оценить с помощью длины Рашбы–Эдельштейна, т.е. отношения плотности зарядового тока, протекающего по поверхности исследуемого материала, ( т. е. плотность тока поверхностного заряда) и трехмерная плотность спинового тока (поскольку накопление спинов может диффундировать в трехмерном пространстве). [ 2 ]

В эффекте Рашбы–Эдельштейна спиновый ток является следствием накопления спинов, происходящего в материале при протекании зарядового тока по его поверхности (под действием разности потенциалов и, следовательно, электрического поля), а в Обратный эффект Рашбы-Эдельштейна: спиновый ток - это количество, инжектируемое внутрь материала, приводящее к накоплению спина и приводящее к потоку заряда, локализованному на поверхности материала. [ 1 ] [ 8 ] В обоих случаях асимметрия размерностей зарядового и спинового тока приводит к соотношению, которое по размерности имеет единицы длины: отсюда и произошло название этого параметра эффективности. [ 1 ]

Аналитически значение двумерной плотности тока заряда можно вычислить, используя уравнение Больцмана и учитывая действие электрического поля , в результате чего: [ 1 ] [ 10 ]

,

где это элементарный заряд, – время рассеяния импульса, и – соответственно волновой вектор Ферми и скорость Ферми и – приведенная постоянная Планка . Плотность спинового тока также можно вычислить аналитически путем интегрирования по поверхности Ферми произведения спиновой поляризации и соответствующей функции распределения . В случае эффекта Эдельштейна эта величина приводит к: [ 1 ] [ 10 ]

,

где – единичный вектор, перпендикулярный поверхности, по которой течет ток заряда. Из этих формул можно наблюдать ортогональность спиновой и зарядовой плотности тока. [ 1 ]

Что касается эффекта Эдельштейна и его обратных эффектов, эффективность преобразования равна: [ 1 ]

. [ 1 ] [ 2 ]

Этот параметр условно положителен для контура Ферми со спиральностью против часовой стрелки. [ 2 ] Вывод длины Рашбы–Эдельштейна такой же, как и вывод Эдельштейна, за исключением который заменяется параметром Рашбы , [ 10 ] то есть , в результате чего: [ 1 ]

.

Длину Рашбы-Эдельштейна исследуемого материала можно сравнить с другими эффективностями взаимного преобразования спин-заряда: [ 2 ] как угол спина-Холла, [ 1 ] чтобы установить, является ли этот материал эффективным преобразователем спин-заряд и, следовательно, может ли он быть пригоден для применения в спинтронике. [ 2 ] Длину Рашбы – Эдельштейна (эффективность двумерного взаимного преобразования спинового заряда) можно эффективно сравнить с углом Холла спина (эффективность взаимного преобразования спинового заряда 3D), разделив параметр толщины спин-расщепленных поверхностных состояний, в которых происходит это двумерное преобразование. [ 4 ] Этот «эквивалентный» угол Холла спина для эффекта Рашбы – Эдельштейна часто приводит к тому, что он близок к единице или даже превышает единицу: [ 4 ] Эффект Рашбы-Эдельштейна в среднем является более эффективным механизмом взаимного преобразования спин-заряд, чем спиновый эффект Холла, и это может привести к будущему использованию материалов, демонстрирующих этот эффект, в технологической промышленности. [ 2 ] [ 4 ] [ 21 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб и объявление но Зуккетти, Карло (2019). «Взаимное преобразование спинового заряда в структурах на основе Ge». www.politesi.polimi.it . hdl : 10589/145725 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот Рохас-Санчес, Ж.-К.; Оярсун, С.; Фу, Ю.; Марти, А.; Верно, К.; Гамбарелли, С.; Вила, Л.; Жаме, М.; Оцубо, Ю.; Талеб-Ибрагими, А.; Ле Февр, П.; Бертран, Ф.; Рейрен, Н.; Джордж, Ж.-М.; Ферт, А. (1 марта 2016 г.). «Спиновая накачка в поверхностные состояния топологического изолятора α-Sn, преобразование спина в заряд при комнатной температуре». Письма о физических отзывах . 116 (9): 096602. arXiv : 1509.02973 . doi : 10.1103/PhysRevLett.116.096602 . ПМИД   26991190 . S2CID   91173907 .
  3. ^ Jump up to: а б Эдельштейн, В.М. (январь 1990 г.). «Спиновая поляризация электронов проводимости, индуцированная электрическим током в двумерных асимметричных электронных системах». Твердотельные коммуникации . 73 (3): 233–235. Бибкод : 1990SSCom..73..233E . дои : 10.1016/0038-1098(90)90963-C .
  4. ^ Jump up to: а б с д и ж Рохас-Санчес, Х.К.; Вила, Л.; Десфонд, Г.; Гамбарелли, С.; Аттане, Япония; Де Тереза, Дж. М.; Маген, К.; Ферт, А. (17 декабря 2013 г.). «Преобразование спина в заряд с использованием связи Рашбы на границе раздела немагнитных материалов» . Природные коммуникации . 4 (1): 2944. Бибкод : 2013NatCo...4.2944S . дои : 10.1038/ncomms3944 . ПМИД   24343336 .
  5. ^ Чжан, HJ; Ямамото, С.; Гу, Б.; Ли, Х.; Маэкава, М.; Фукая, Ю.; Кавасусо, А. (22 апреля 2015 г.). «Преобразование заряда в спин и спиновая диффузия в бислоях Bi/Ag, наблюдаемые с помощью спин-поляризованного пучка позитронов». Письма о физических отзывах . 114 (16): 166602. Бибкод : 2015PhRvL.114p6602Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.166602 . ПМИД   25955066 .
  6. ^ Меллник, Арканзас; Ли, Дж. С.; Ричарделла, А.; Граб, Дж. Л.; Минтун, П.Дж.; Фишер, Миннесота; Ваези, А.; Манчон, А.; Ким, Э.-А.; Самарт, Н.; Ральф, округ Колумбия (23 июля 2014 г.). «Перенос спина, создаваемый топологическим изолятором». Природа . 511 (7510): 449–451. arXiv : 1402.1124 . Бибкод : 2014Natur.511..449M . дои : 10.1038/nature13534 . ПМИД   25056062 . S2CID   205239604 .
  7. ^ Сенапати, Тапас; Карнад, Ашвин Кумар; Сенапати, Картик (16 ноября 2023 г.). «Смещение фазы джозефсоновского перехода с использованием эффекта Рашбы – Эдельштейна». Природные коммуникации . 14 (1). arXiv : 2304.11457 . дои : 10.1038/s41467-023-42987-9 .
  8. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Боттегони, Ф.; Зуккетти, К.; Изелла, Г.; Боллани, М.; Финацци, М.; Чикаччи, Ф. (17 февраля 2020 г.). «Взаимное превращение спин-заряда в гетероструктурах на основе полупроводников IV группы». Журнал нового бетона . 43 (2): 45–96. Бибкод : 2020NCimR..43...45B . дои : 10.1007/s40766-020-0002-0 . S2CID   214054493 .
  9. ^ Шлиман, Джон; Потеря, Дэниел (14 октября 2003 г.). «Анизотропный транспорт в двумерном электронном газе при наличии спин-орбитальной связи». Физический обзор B . 68 (16): 165311. arXiv : cond-mat/0306528 . Бибкод : 2003PhRvB..68p5311S . дои : 10.1103/PhysRevB.68.165311 . S2CID   119093889 .
  10. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Гамбарделла, Пьетро; Мирон, Иоан Михай (13 августа 2011 г.). «Вызванные током спин-орбитальные моменты». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 369 (1948): 3175–3197. Бибкод : 2011RSPTA.369.3175G . дои : 10.1098/rsta.2010.0336 . ПМИД   21727120 . S2CID   29025534 .
  11. ^ Jump up to: а б с д Хасан, МЗ; Кейн, CL (8 ноября 2010 г.). «Коллоквиум: Топологические изоляторы». Обзоры современной физики . 82 (4): 3045–3067. arXiv : 1002.3895 . Бибкод : 2010RvMP...82.3045H . дои : 10.1103/RevModPhys.82.3045 . S2CID   16066223 .
  12. ^ Исаса, Мирен; Мартинес-Веларте, М. Кармен; Вильямор, Эстичу; Маген, Сезар; Морельон, Луис; Де Тереза, Хосе М.; Ибарра, М. Рикардо; Виньяле, Джон; Чулков Евгений Владимирович; Красовский, Юджин Э.; Боун, Луи Э.; Казанова, Феликс (13 января 2016 г.). «Происхождение обратного эффекта Рашбы – Эдельштейна, обнаруженного на границе раздела Cu/Bi с использованием боковых спиновых клапанов». Физический обзор B . 93 (1): 014420. Бибкод : 2016PhRvB..93a4420I . дои : 10.1103/PhysRevB.93.014420 . hdl : 10261/136761 . S2CID   398872 .
  13. ^ Дьяконов, Михаил Иванович (2008). Спиновая физика в полупроводниках . Спрингер. ISBN  978-3-540-78819-5 .
  14. ^ Jump up to: а б Шен, Ка; Виньяле, Г.; Раймонди, Р. (5 марта 2014 г.). «Микроскопическая теория обратного эффекта Эдельштейна». Письма о физических отзывах . 112 (9): 096601. arXiv : 1311.6516 . Бибкод : 2014PhRvL.112i6601S . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.096601 . ПМИД   24655266 . S2CID   29825170 .
  15. ^ Цай, Шу; Го, Цзин; Сидоров Владимир А.; Чжоу, Ячжоу; Ван, Хунхун; Линь, Гунчанг; Ли, Сяодун; Ли, Яньчуань; Ян, Кэ; Ли, Айго; У, Ци; Ху, Цзянпин; Кушваха, Сатья. К.; Кава, Роберт Дж.; Сунь, Лилин (23 ноября 2018 г.). «Независимость топологического состояния поверхности и объемной проводимости в трехмерных топологических изоляторах». npj Квантовые материалы . 3 (1): 62. arXiv : 1807.02000 . Бибкод : 2018npjQM...3...62C . дои : 10.1038/s41535-018-0134-z . S2CID   119366200 .
  16. ^ Манчон, А.; Ку, ХК; Нитта, Дж.; Фролов С.М.; Дуйне, РА (20 августа 2015 г.). «Новые перспективы спин-орбитального взаимодействия Рашбы». Природные материалы . 14 (9): 871–882. arXiv : 1507.02408 . Бибкод : 2015NatMa..14..871M . дои : 10.1038/nmat4360 . ПМИД   26288976 . S2CID   24116488 .
  17. ^ Сюй, Юнбин; Авшалом, Дэвид Д.; Нитта, Дзюнсаку (11 марта 2016 г.). Справочник по спинтронике (1-е изд. 2016 г.). стр. 100-1 1–1596. ISBN  978-94-007-6893-2 .
  18. ^ Лампель, Жорж (4 марта 1968 г.). «Ядерная динамическая поляризация путем оптического электронного насыщения и оптической накачки в полупроводниках». Письма о физических отзывах . 20 (10): 491–493. Бибкод : 1968PhRvL..20..491L . doi : 10.1103/PhysRevLett.20.491 .
  19. ^ Мейер, Ф.; Захарченя, Б.П. (1 ноября 1984 г.). Оптическая ориентация . Эльзевир Наука. ISBN  9780444599919 .
  20. ^ Дьяконов, Мишель; Перель, Валери (1984). «Теория оптической спиновой ориентации электронов и ядер в полупроводниках». Оптическая ориентация . Современные проблемы науки о конденсированных средах. Том. 8. стр. 11–71. дои : 10.1016/B978-0-444-86741-4.50007-X . ISBN  9780444867414 .
  21. ^ Гиаси, Талие С.; Каверзин Алексей Александрович; Бла, Патрик Дж.; ван Вис, Барт Дж. (13 августа 2019 г.). «Преобразование заряда в спин с помощью эффекта Рашбы – Эдельштейна в двумерных гетероструктурах Ван-дер-Ваальса до комнатной температуры» . Нано-буквы . 19 (9): 5959–5966. arXiv : 1905.01371 . Бибкод : 2019NanoL..19.5959G . дои : 10.1021/acs.nanolett.9b01611 . ПМК   6746057 . ПМИД   31408607 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 527be56c031297715e833970e1b7ea14__1708324560
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/52/14/527be56c031297715e833970e1b7ea14.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Rashba–Edelstein effect - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)