Эффект спин-холла
Спиновый эффект Холла (СЭХ) — явление переноса, предсказанное российскими физиками Михаилом Дьяконовым и Владимиром Перелем в 1971 году. [1] [2] Он заключается в появлении спиновых накоплений на боковых поверхностях образца с электрическим током , причем знаки направлений спинов противоположны на противоположных границах. В цилиндрической проволоке поверхностные вращения, индуцированные током, будут наматываться на проволоку. Когда направление тока меняется на противоположное, направление ориентации спина также меняется на противоположное.
Определение [ править ]
Спиновый эффект Холла — явление переноса, заключающееся в возникновении накопления спинов на боковых поверхностях образца, несущего электрический ток. Границы противоположных поверхностей будут иметь спины противоположного знака. Он аналогичен классическому эффекту Холла , когда на противоположных боковых поверхностях появляются заряды в образце с электрическим током в магнитном поле противоположного знака . В случае классического эффекта Холла накопление заряда на границах компенсирует силу Лоренца, действующую на носители заряда в образце за счет магнитного поля. явлением, не требуется магнитное поле Для спинового эффекта Холла, который является чисто спиновым . Спиновый эффект Холла принадлежит к тому же семейству, что и аномальный эффект Холла , давно известный в ферромагнетиках , который также возникает из спин-орбитального взаимодействия .
История [ править ]
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 году Аверкиев и Дьяконов [3] предложил способ измерения обратного спинового эффекта Холла при оптической ориентации спина в полупроводниках. Первая экспериментальная демонстрация обратного спинового эффекта Холла, основанная на этой идее, была выполнена Бакуном и др. в 1984 году [4]
Термин «спиновый эффект Холла» ввёл Хирш. [5] которые повторно предсказали 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 [ править ]
Два возможных механизма приводят к возникновению спинового эффекта Холла, при котором электрический ток (состоящий из движущихся зарядов) превращается в спиновый ток (ток движущихся спинов без потока зарядов). Оригинальный (внешний) механизм, разработанный Дьяконовым и Перелем, состоял из спин-зависимого рассеяния Мотта , при котором носители с противоположным спином диффундируют в противоположных направлениях при столкновении с примесями в материале. Второй механизм обусловлен внутренними свойствами материала, когда траектории носителя искажаются из-за спин-орбитального взаимодействия вследствие асимметрии материала. [8]
Внутренний эффект можно интуитивно представить, используя классическую аналогию между электроном и вращающимся теннисным мячом. Теннисный мяч отклоняется от своей прямой траектории в воздухе в направлении, зависящем от направления вращения, также известном как эффект Магнуса . В твердом теле воздух заменяется эффективным электрическим полем из-за асимметрии материала, относительное движение между магнитным моментом (связанным со вращением) 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 [ править ]
Спиновый ток описывается [1] [2] второго ранга тензором q ij , где первый индекс относится к направлению потока, а второй – к текущей спиновой компоненте. Таким образом, q xy обозначает плотность потока y -компоненты вращения в направлении x . Введем также вектор q i плотности потока заряда (который связан с плотностью нормального тока j = e q ), где e — элементарный заряд. Связь между спиновыми и зарядовыми токами обусловлена спин-орбитальным взаимодействием. Это можно описать очень просто [9] введением одного безразмерного параметра связи ʏ .
Магнитосопротивление Спинового Холла [ править ]
Для спинового эффекта Холла не магнитное поле требуется . Однако если приложить достаточно сильное магнитное поле в направлении, перпендикулярном ориентации спинов на поверхностях, 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 отметили Дьяконов и Перель еще в 1971 году. [2] и позже более подробно разработанный 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 сильно).
Смена спиновых токов [ править ]
Трансформацию спиновых токов, заключающуюся в смене ( перестановке ) направлений спина и потока ( q ij → q ji ), предсказали 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 [ править ]
Прямой и обратный спиновый эффект Холла можно контролировать оптическими средствами. Накопление спина вызывает круговую поляризацию излучаемого света , а также фарадеевское (или керровское ) вращение поляризации прошедшего (или отраженного) света. Наблюдение поляризации излучаемого света позволяет наблюдать спиновый эффект Холла.
Совсем недавно существование как прямых, так и обратных эффектов было продемонстрировано не только в полупроводниках , [11] но и в металлах . [12] [13] [14]
Приложения [ править ]
Спиновый эффект Холла можно использовать для электрического управления спинами электронов. Например, спиновый эффект Холла в сочетании с эффектом электрического перемешивания приводит к спиновой поляризации в локализованной проводящей области. [15]
Дальнейшее чтение [ править ]
Обзор спинового эффекта Холла см., например:
- Дьяконов, Михаил Иванович (2008). Спиновая физика в полупроводниках . Серия Спрингера по наукам о твердом теле. Том. 157. Спрингер. Бибкод : 2008sps..книга.....D . дои : 10.1007/978-3-540-78820-1 . ISBN 978-3-540-78820-1 .
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с М. И. Дьяконов и В. И. Перель (1971). «Возможность ориентации электронных спинов током» . Сов. Физ. Письмо в ЖЭТФ . 13 : 467. Бибкод : 1971JETPL..13..467D .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д М. И. Дьяконов и В. И. Перель (1971). «Индуцированная током спиновая ориентация электронов в полупроводниках». Физ. Летт. А. 35 (6): 459. Бибкод : 1971PhLA...35..459D . дои : 10.1016/0375-9601(71)90196-4 .
- ^ Н. С. Аверкиев и М. И. Дьяконов (1983). «Ток из-за неоднородной ориентации спина в полупроводниках». Сов. Физ. Письмо в ЖЭТФ . 35 : 196.
- ^ А.А. Бакун; Б.П. Захарченя; А.А. Рогачев; М.Н. Ткачук; В.Г. Флейшер (1984). «Обнаружение поверхностного фототока вследствие оптической ориентации электронов в полупроводнике» . Сов. Физ. Письмо в ЖЭТФ . 40 : 1293. Бибкод : 1984JETPL..40.1293B .
- ^ Дж. Э. Хирш (1999). «Эффект спин-холла». Физ. Преподобный Летт . 83 (9): 1834–1837. arXiv : cond-mat/9906160 . Бибкод : 1999PhRvL..83.1834H . doi : 10.1103/PhysRevLett.83.1834 . S2CID 59332923 .
- ^ Ю. Като; Р. К. Майерс; А.С. Госсард; Д.Д. Авшалом (11 ноября 2004 г.). «Наблюдение спинового эффекта Холла в полупроводниках» . Наука . 306 (5703): 1910–1913. Бибкод : 2004Sci...306.1910K . дои : 10.1126/science.1105514 . ПМИД 15539563 . S2CID 21374868 .
- ^ Дж. Вундерлих; Б. Кестнер; Ж. Синова; Т. Юнгвирт (2005). «Экспериментальное наблюдение эффекта спин-холла в двумерной спин-орбитально-связанной полупроводниковой системе» . Физ. Преподобный Летт . 94 (4): 047204. arXiv : cond-mat/0410295 . Бибкод : 2005PhRvL..94d7204W . doi : 10.1103/PhysRevLett.94.047204 . ПМИД 15783592 . S2CID 119357053 .
- ^ Манчон, А.; Ку, ХК; Нитта, Дж.; Фролов С.М.; Дуин, РА (сентябрь 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 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 26288976 . S2CID 24116488 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б М.И. Дьяконов (2007). «Магнитосопротивление из-за накопления краевого спина». Физ. Преподобный Летт . 99 (12): 126601. arXiv : 0705.2738 . Бибкод : 2007PhRvL..99l6601D . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.126601 . ПМИД 17930533 . S2CID 22492919 .
- ^ М.Б. Лифшиц и М.И. Дьяконов (2009). «Обмен спиновыми токами». Физ. Преподобный Летт . 103 (18): 186601. arXiv : 0905.4469 . Бибкод : 2009PhRvL.103r6601L . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.186601 . ПМИД 19905821 . S2CID 28816808 .
- ^ Х. Чжао; Э. Дж. Лорен; Его Величество ван Дрил; А.Л. Смирл (2006). «Контроль когерентности заряда Холла и спиновых токов». Физ. Преподобный Летт . 96 (24): 246601. Бибкод : 2006PhRvL..96x6601Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.246601 . ПМИД 16907264 .
- ^ Э. Сайто; М. Уэда; Х. Миядзима; Г. Татара (2006). «Преобразование спинового тока в ток заряда при комнатной температуре: обратный эффект Холла спина». Письма по прикладной физике . 88 (18): 182509. Бибкод : 2006ApPhL..88r2509S . дои : 10.1063/1.2199473 .
- ^ С.О. Валенсуэла; М. Тинкхэм (2006). «Прямое электронное измерение эффекта спинового Холла». Природа . 442 (7099): 176–9. arXiv : cond-mat/0605423 . Бибкод : 2006Natur.442..176V . дои : 10.1038/nature04937 . ПМИД 16838016 . S2CID 4304951 .
- ^ Т. Кимура; Ю. Отани; Т. Сато; С. Такахаши; С. Маэкава (2007). «Обратимый спиновый эффект Холла при комнатной температуре». Физ. Преподобный Летт . 98 (15): 156601. arXiv : cond-mat/0609304 . Бибкод : 2007PhRvL..98o6601K . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.156601 . ПМИД 17501368 . S2CID 38362364 .
- ^ Ю. В. Першин; Н.А. Синицын; А. Коган; А. Саксена; Д. Смит (2009). «Управление спиновой поляризацией с помощью электрического перемешивания: предложение по устройству спинтроники» . Прил. Физ. Летт . 95 (2): 022114. arXiv : 0906.0039 . Бибкод : 2009ApPhL..95b2114P . дои : 10.1063/1.3180494 . S2CID 67771810 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
