Спиновый эффект Холла

Спиновый эффект Холла (Spin Hall Effect, SHE) представляет собой явление, при котором протекание электрического тока в проводнике или полупроводнике с сильной спин–орбитальной связью приводит к поперечной спиновой поляризации электронов без приложения внешнего магнитного поля. Этот эффект является аналогом классического эффекта Холла, но вместо заряда носителей спиновая составляющая их момента проявляется в виде накопления электронов с противоположными спинами на противоположных гранях образца.

Ключевой механизм: В классическом эффекте Холла поперечное отклонение обусловлено силой Лоренца, действующей на заряженные частицы. В спиновом эффекте Холла аналогичное разделение происходит благодаря спин–орбитальному взаимодействию, которое создает эффективное магнитное поле для электронов в зависимости от их спина. Это приводит к движению электронов с противоположными спинами в противоположных направлениях перпендикулярно приложенному электрическому току.

Микроскопическая теория SHE

Существует два основных механизма спинового эффекта Холла: разбросный (extrinsic) и внутренний (intrinsic).

  1. Разбросный механизм (extrinsic):

    • Скютерский эффект (skew scattering): При рассеянии электронов на примесях или дефектах кристаллической решетки вероятность отклонения зависит от направления спина электрона. Это приводит к асимметричному рассеянию и накоплению спина на противоположных сторонах проводника.
    • Эффект побочного рассеяния (side jump): При взаимодействии с атомным потенциалом возникает малое смещение траектории электрона перпендикулярно току, которое зависит от спина. В отличие от скютерского эффекта, вклад побочного смещения не зависит линейно от времени рассеяния, а определяется структурой зоны.

  2. Внутренний механизм (intrinsic):

    • Обусловлен особенностями энергетической структуры кристалла, где спин–орбитальное взаимодействие создает эффективное магнитное поле, действующее на электроны с разными спинами.
    • Используется формализм кривизны Бери (Berry curvature), где спиновые электроны движутся в поле, аналогичном магнитному, порожденному геометрическими свойствами зоны проводимости.
    • Внутренний механизм может существовать даже в идеально чистых материалах без примесей, что делает его фундаментальным свойством кристалла.

Экспериментальные методы наблюдения

Спиновый эффект Холла измеряется косвенно, поскольку спин нельзя зарегистрировать напрямую электрическими приборами. Основные методы:

  1. Оптическая детекция:

    • Используются эффекты Керра или Фарадея, когда вращение плоскости поляризации отраженного или проходящего света пропорционально локальной спиновой поляризации.
    • Позволяет наблюдать пространственное распределение спиновой намагниченности на гранях образца.

  2. Электрическая детекция:

    • Применение ферромагнитных контактов, которые чувствительны к ориентации спина.
    • Величина поперечного напряжения между контактами зависит от спиновой поляризации электронов, что позволяет количественно измерить SHE.

  3. Комбинированные методы:

    • Использование микро- или наноструктур, где спиновый ток индуцирует электрический ток в смежных ферромагнитных слоях (эффект inverse spin Hall effect, ISHE).
    • Применяется для интеграции в спинтронные устройства.

Материалы с сильным спиновым эффектом Холла

Сильный спиновый эффект Холла наблюдается в материалах с высокой спин–орбитальной связью. Ключевые примеры:

  • Тяжелые металлы: Pt, Ta, W — классические образцы с большим коэффициентом SHE.
  • Полупроводники с узкой запрещенной зоной: GaAs, InSb — благодаря сильному внутреннему спин–орбитальному взаимодействию.
  • Топологические изоляторы: Bi2Se3, Bi2Te3 — электронные состояния на поверхности обладают сильной спиновой поляризацией, обеспечивая высокую эффективность SHE.

Спиновые токи и их свойства

Определение: спиновый ток — это поток электронов с определенной ориентацией спина, не обязательно сопровождающийся электрическим током.

Основные характеристики:

  • Направление: обычно перпендикулярно приложенному электрическому току.
  • Поляризация: определяется ориентацией спина относительно выбранной оси.
  • Рассеяние: как и электрические токи, спиновые токи подвержены рассеянию на дефектах и границах, но их распространение ограничено временем спиновой релаксации.

Закон сохранения спина: В объеме без спин–орбитальных взаимодействий выполняется аналог закона сохранения заряда. Однако при наличии SHE спиновые токи могут возникать или исчезать в зависимости от локальной кручения зоны Бери или взаимодействия с примесями.

Практическое значение и применение

  1. Спинтроника:

    • Использование спиновых токов вместо электрических для передачи информации.
    • Позволяет создавать энергоэффективные магнитные памяти (MRAM), где запись информации осуществляется без протекания больших зарядовых токов.

  2. Генерация спиновых токов:

    • SHE позволяет создавать чистые спиновые токи в ферромагнитных и нормальных металлах.
    • Используется для управления магнитными доменами и резонансными явлениями в магнитных тонких пленках.

  3. Инверсный спиновый эффект Холла (ISHE):

    • Преобразует спиновые токи обратно в электрические, что открывает возможности для детекторов спиновых токов и измерений спиновой проводимости материалов.

Заключение по физическим особенностям

Спиновый эффект Холла объединяет фундаментальные свойства квантовой механики (спин, спин–орбитальное взаимодействие) с макроскопическими проявлениями в виде спиновой поляризации. Его изучение позволяет не только глубже понять движение электронов в кристаллах с сильной спин–орбитальной связью, но и создает технологическую платформу для развития спинтроники и энергоэффективных устройств хранения и передачи информации.

Этот эффект иллюстрирует принципиальное отличие спиновых и зарядовых явлений, подчеркивая важность квантовых свойств носителей заряда для современной физики конденсированных сред.

Оглавление