Спиновая инжекция

Спиновая инжекция — это процесс создания неравновесной спиновой поляризации в проводнике или полупроводнике за счет переноса спина от источника с заранее ориентированными спинами. Этот процесс лежит в основе спинтроники, где управление спинами электронов используется для передачи, хранения и обработки информации. В отличие от традиционной электроники, где информация определяется зарядом, спинтроника оперирует как зарядом, так и спином электрона.

Спиновая инжекция может осуществляться различными способами: через контакт с ферромагнитным материалом, оптическими методами, туннельной инжекцией и с помощью спин–орбитального взаимодействия.

Методы спиновой инжекции

1. Инжекция через ферромагнитные контакты

При контакте ферромагнетика с немагнитным проводником или полупроводником возникает неравновесная спиновая плотность из-за различной плотности состояний для электронов с параллельным и антипараллельным спином в ферромагнетике.

Ключевые моменты:

  • Избыточная спиновая поляризация: Электроны с преимущественным спином инжектируются в полупроводник, создавая локальное неравновесие.
  • Эффект сопротивления Шоттки: Наличие барьера на интерфейсе ферромагнетик–полупроводник помогает повысить эффективность спиновой инжекции.
  • Температурная зависимость: Эффективность инжекции уменьшается с ростом температуры из-за увеличения спинового рассеяния.

2. Оптическая спиновая инжекция

Используется круговая поляризация света для создания ориентированных по спину электронов в полупроводниках прямого запрещенного перехода (например, GaAs).

  • Принцип действия: Фотон с круговой поляризацией передает свой момент импульса электрону при генерации носителей.
  • Выбор спинового состояния: В зависимости от поляризации света создается преобладание электронов с определенным спином.
  • Применения: Оптическая спиновая инжекция используется в экспериментах по изучению спинового рассеяния, спиновой диффузии и спиновой транспорта.

3. Туннельная спиновая инжекция

Туннельные контакты с тонким изолирующим слоем (например, Al₂O₃) между ферромагнетиком и полупроводником позволяют инжектировать спин-поляризованные электроны через квантовый туннельный эффект.

  • Преимущества: Высокая степень спиновой поляризации и возможность минимизации потерь на интерфейсе.
  • Эффект обратной поляризации: Обратное туннельное течение может использоваться для детекции спина.

4. Спин–орбитальная спиновая инжекция

Использует эффекты спин–орбитального взаимодействия (Spin–Orbit Coupling) для создания спиновой поляризации в неферромагнитных материалах:

  • Эффект Рашбы: В двумерных электронных системах с асимметричным потенциалом возникает эффективное магнитное поле, которое выравнивает спины.
  • Эффект Дресселяха: В кристаллах без центра инверсии спиновая поляризация возникает за счет взаимодействия с внутренним электрическим полем кристалла.

Параметры эффективности спиновой инжекции

Эффективность спиновой инжекции характеризуется несколькими ключевыми величинами:

  • Степень спиновой поляризации P:

$$ P = \frac{n_\uparrow - n_\downarrow}{n_\uparrow + n_\downarrow} $$

где n↑ и n↓ — плотности электронов с противоположными ориентациями спина.

  • Длина спиновой диффузии Ls: Расстояние, на котором спиновая поляризация уменьшается до 1/e от начального значения.
  • Время спинового релаксационного рассеяния τs: Среднее время сохранения спинового состояния.

Эти параметры определяют, насколько эффективно можно передавать и использовать спиновую информацию в устройстве.

Проблемы и ограничения

  1. Спиновое рассеяние: Внутренние дефекты, примеси и колебания решетки приводят к быстрой деполяризации спинов.
  2. Несовпадение сопротивлений: Контакт между ферромагнетиком и полупроводником часто сопровождается сопротивлением, которое снижает эффективность инжекции.
  3. Температурные эффекты: С ростом температуры увеличивается число процессов, приводящих к потере спиновой поляризации.

Экспериментальные методы измерения спиновой инжекции

  • Магнитооптический эффект Керра: Измерение вращения плоскости поляризации света при прохождении через спин-поляризованный слой.
  • Спин-зависимая транспортная характеристика: Измерение сопротивления устройства в зависимости от ориентации спинов в ферромагнитных контактах.
  • Фотолюминесценция: Анализ поляризации излучения при рекомбинации инжектированных носителей.
Оглавление