Спиновый холловский эффект в полупроводниках

Основные принципы и физическая природа

Спиновый Холловский эффект (SHE, Spin Hall Effect) является фундаментальным явлением в современной физике конденсированного состояния, связанного с переносом спина в полупроводниках и металлах без применения внешнего магнитного поля. В отличие от классического эффекта Холла, где под действием электрического поля формируется поперечное напряжение за счёт движения зарядов, спиновый Холловский эффект возникает из-за спин–орбитального взаимодействия, приводящего к расщеплению электронных потоков с разной ориентацией спина в противоположные направления.

Механизм возникновения SHE можно разделить на две категории: экструзионный (extrinsic) и внутренний (intrinsic).

1. Экструзионный механизм связан с рассеянием электронов на примесях или дефектах кристаллической решётки. Благодаря спин–орбитальному взаимодействию рассеянные электроны приобретают направление движения, зависящее от ориентации их спина. Основные процессы:

   • Скачкообразное рассеяние (skew scattering): асимметричное рассеяние электронов с разными спинами на центрах рассеяния.
   • Боковое смещение (side-jump): смещение траектории электрона перпендикулярно направлению силы, действующей на него, которое зависит от спина.

2. Внутренний механизм обусловлен топологическими свойствами зонной структуры материала. Даже при отсутствии дефектов электроны с противоположными спинами движутся в противоположные стороны за счёт кривизны Бери в импульсном пространстве. Этот механизм тесно связан с геометрией зонной структуры и наблюдается, например, в системах с сильным спин–орбитальным взаимодействием, таких как GaAs или HgTe-квантовые ямы.

Математическая формализация

Эффект можно описывать через тензор спинового Холловского проводимости σ_ij^s, связывающий спиновый ток j_i^s и электрическое поле E_j:

j_i^s = ∑_jσ_ij^sE_j

где индекс i указывает направление переноса спина, а j — направление приложения электрического поля. В случае двухмерного электронного газа с сильным спин–орбитальным взаимодействием проводимость часто имеет вид:

$$ \sigma^s_{xy} = \frac{e}{8\pi} $$

что отражает квантованный характер внутреннего спинового Холловского эффекта при идеальных условиях.

Реализация в полупроводниках

SHE особенно ярко проявляется в двумерных электронных системах и полупроводниках с тяжелыми элементами, обладающими сильным спин–орбитальным взаимодействием. Основные примеры:

• GaAs и InGaAs: классические III–V полупроводники, где SHE наблюдается при комнатной температуре. В этих материалах важен внутренний механизм, связанный с кривизной Бери.
• HgTe квантовые ямы: топологические изоляторы второго рода, где эффект усилен из-за топологической природы энергетических зон.
• Pt и Ta: металлы с сильным спин–орбитальным взаимодействием, где SHE может служить источником спинового тока для спинтронных устройств.

Методы экспериментального обнаружения

Эффект обнаруживается через генерацию спинового тока и его преобразование обратно в электрический сигнал, чаще всего с помощью обратного спинового Холловского эффекта (ISHE). Основные методы:

1. Оптическая спектроскопия:

   • Использование эффекта Керра для измерения локальной ориентации спина.
   • Спиновая поляризация в концах образца демонстрирует поперечное накопление спинов.

2. Электрические методы:

   • Встраивание ферромагнитного контакта для измерения спинового потенциала.
   • Генерация напряжения через обратный спиновый Холловский эффект в смежных материалах.

3. Наноструктурированные устройства:

   • Спиновая инжекция в узкие квантовые провода и точечные контакты.
   • Использование структур типа spin–orbit torque (SOT) для контроля магнитного состояния.

Важные характеристики и зависимости

• Температурная зависимость: SHE в полупроводниках проявляется уже при комнатной температуре, но величина спинового тока может уменьшаться при сильном рассеянии на фононах.
• Зависимость от кристаллографической ориентации: направление спинового тока определяется направлением электрического поля и ориентацией кристаллографических осей, что особенно важно для инженерии спинтронных устройств.
• Силы спин–орбитального взаимодействия: усиление SOI приводит к увеличению спиновой проводимости и эффективного накопления спинов на границах.

Применение в спинтронике

SHE стал ключевым инструментом в развитии спинтронных технологий, где спин заменяет электрический заряд в передаче и хранении информации. Основные направления:

• Ненадёжные магнитные рамы и MRAM: генерация спинового тока без применения магнитного поля позволяет управлять магнитным состоянием слоёв.
• Спиновая логика: использование SHE для реализации спиновых вентилей и инжекции спина в полуэлектронные устройства.
• Топологические устройства: интеграция с топологическими изоляторами и сверхпроводниками для создания Majorana-режимов и квантовых вычислений.

Ключевые выводы

• SHE основан на фундаментальном спин–орбитальном взаимодействии, позволяющем разделять электроны с разным спином без магнитного поля.
• Существуют два механизма: внутренний (топологический) и экструзионный (рассеяние на примесях), которые могут сосуществовать.
• Эффект реализуем в широком спектре материалов, от полупроводников GaAs до металлов с тяжелыми элементами.
• Используется в спинтронике для генерации и управления спиновыми токами, открывая новые возможности для квантовой и низкоэнергетической электроники.