Spin Hall-effekt
Spin Hall-effekten (SHE) är ett transportfenomen som förutspåddes av de ryska fysikerna Mikhail I. Dyakonov och Vladimir I. Perel 1971. Den består av uppkomsten av spinnackumulering på sidoytorna av ett elektriskt strömförande prov, tecknen på spinnriktningarna är motsatta på de motsatta gränserna. I en cylindrisk tråd kommer de ströminducerade ytsnurren att slingra sig runt tråden. När den aktuella riktningen vänds omvänds även riktningarna för rotationsorienteringen.
Definition
Spin Hall-effekten är ett transportfenomen som består av uppkomsten av spinnackumulering på sidoytorna av ett prov som bär elektrisk ström. De motsatta ytgränserna kommer att ha snurr med motsatt tecken. Det är analogt med den klassiska Hall-effekten , där laddningar av motsatt tecken visas på de motsatta sidoytorna i ett elektriskt strömförande prov i ett magnetfält . I fallet med den klassiska Hall-effekten är laddningsuppbyggnaden vid gränserna som kompensation för Lorentzkraften som verkar på laddningsbärarna i provet på grund av magnetfältet. Inget magnetfält behövs för spin Hall-effekten som är ett rent spinnbaserat fenomen. Spin Hall-effekten tillhör samma familj som den anomala Hall-effekten , känd sedan länge i ferromagneter , som också härstammar från spin-omloppsinteraktion .
Historia
Spin Hall-effekten (direkt och invers) förutspåddes av de ryska fysikerna Mikhail I. Dyakonov och Vladimir I. Perel 1971. De introducerade också för första gången begreppet spinnström .
1983 föreslog Averkiev och Dyakonov ett sätt att mäta den omvända spinn Hall-effekten under optisk spinnorientering i halvledare. Den första experimentella demonstrationen av den omvända spin Hall-effekten, baserad på denna idé, utfördes av Bakun et al. år 1984
Termen "spin Hall-effekt" introducerades av Hirsch som förutspådde denna effekt 1999.
Experimentellt observerades (direkt) spin Hall-effekten i halvledare mer än 30 år efter den ursprungliga förutsägelsen.
Fysiskt ursprung
Två möjliga mekanismer ger upphov till spin Hall-effekten, där en elektrisk ström (som består av rörliga laddningar) omvandlas till en spinnström (en ström av rörliga spinn utan laddningsflöde). Den ursprungliga (extrinsiska) mekanismen utarbetad av Dyakonov och Perel bestod av spinnberoende Mott-spridning , där bärare med motsatt spin diffunderar i motsatta riktningar när de kolliderar med föroreningar i materialet. Den andra mekanismen beror på materialets inneboende egenskaper, där bärarens banor förvrängs på grund av spin-omloppsinteraktion som en konsekvens av asymmetrierna i materialet.
Man kan intuitivt föreställa sig den inneboende effekten genom att använda den klassiska analogin mellan en elektron och en snurrande tennisboll. Tennisbollen avviker från sin raka bana i luften i en riktning som beror på rotationskänslan, även känd som Magnus-effekten . I ett fast ämne ersätts luften av ett effektivt elektriskt fält på grund av asymmetrier i materialet, den relativa rörelsen mellan det magnetiska momentet (associerat med spinnet) och det elektriska fältet skapar en koppling som förvränger elektronernas rörelse.
I likhet med den vanliga Hall-effekten leder både den yttre och den inneboende mekanismen till en ansamling av snurr av motsatta tecken på motsatta laterala gränser.
Matematisk beskrivning
Spinnströmmen beskrivs av en andrarangstensor qij , där det första indexet hänvisar till flödesriktningen och det andra till spinnkomponenten som flyter. Således q xy flödestätheten för y -komponenten av spinn i x -riktningen. Introducera också vektorn qi för laddningsflödestätheten (som är relaterad till den normala strömtätheten j = e q ), där e är den elementära laddningen. Kopplingen mellan spinn- och laddningsströmmar beror på spin-omloppsinteraktion. Det kan beskrivas på ett mycket enkelt sätt genom att införa en enda dimensionslös kopplingsparameter ʏ .
Spin Hall magnetomotstånd
Inget magnetfält behövs för spin Hall-effekten. Men om ett tillräckligt starkt magnetfält appliceras i riktningen vinkelrät mot orienteringen av spinnen vid ytorna, kommer spinn att precessera runt magnetfältets riktning och spin Hall-effekten kommer att försvinna. Sålunda i närvaro av magnetfält leder den kombinerade verkan av den direkta och omvända spin Hall-effekten till en förändring av provresistansen, en effekt som är av andra ordningen i spin-omloppsinteraktion. Detta noterades av Dyakonov och Perel redan 1971 och utarbetades senare mer i detalj av Dyakonov. Under de senaste åren har spin Hall magnetoresistans studerats omfattande experimentellt både i magnetiska och icke-magnetiska material (tungmetaller, såsom Pt, Ta, Pd, där spinn-omloppsinteraktionen är stark).
Byta spinnströmmar
En transformation av spinnströmmar som består i utbyte ( byte ) av spinn- och flödesriktningarna ( q ij → q ji ) förutspåddes av Lifshits och Dyakonov. Således omvandlas ett flöde i x -riktningen för spinn polariserade längs y till ett flöde i y -riktningen för spinn polariserade längs x . Denna förutsägelse har ännu inte bekräftats experimentellt.
Optisk övervakning
Den direkta och omvända spinn Hall-effekten kan övervakas med optiska medel. Spinnackumuleringen inducerar cirkulär polarisering av det emitterade ljuset , såväl som Faraday (eller Kerr ) polarisationsrotation av det transmitterade (eller reflekterade) ljuset. Genom att observera polariseringen av emitterat ljus kan spin Hall-effekten observeras.
På senare tid visades förekomsten av både direkta och omvända effekter inte bara i halvledare utan även i metaller .
Ansökningar
Spin Hall-effekten kan användas för att manipulera elektronsnurr elektriskt. Till exempel, i kombination med den elektriska omrörningseffekten, leder spin Hall-effekten till spinnpolarisering i ett lokaliserat ledande område.
Vidare läsning
För en recension av spin Hall-effekten, se till exempel:
- Dyakonov, Mikhail I. (2008). Spinnfysik i halvledare . Springer Series in Solid State Sciences. Vol. 157. Springer. Bibcode : 2008sps..bok.....D . doi : 10.1007/978-3-540-78820-1 . ISBN 978-3-540-78820-1 .