Эффект Рашбы – Эдельштейна

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 ]

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 ]
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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Дьяконов, Михаил Иванович (2008). Спиновая физика в полупроводниках . Спрингер. ISBN 978-3-540-78819-5 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Мейер, Ф.; Захарченя, Б.П. (1 ноября 1984 г.). Оптическая ориентация . Эльзевир Наука. ISBN 9780444599919 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .