Обратный спиновый эффект Холла

Обратный спиновый эффект Холла (Inverse Spin Hall Effect, ISHE) является фундаментальным явлением в спинтронике, позволяющим преобразовывать чистый спиновый ток в электрический ток. В отличие от обычного эффекта Холла, где электрический ток в присутствии магнитного поля индуцирует поперечное напряжение, в обратном спиновом эффекте Холла именно поток спинов вызывает возникновение электрического поля перпендикулярно направлению спинового тока и ориентации спинов.

Ключевой параметр, характеризующий эффективность этого преобразования, — коэффициент спинового Холла (spin Hall angle, θ_SH), который отражает отношение индуцированного электрического тока к исходному спиновому току. Материалы с большой θ_SH, такие как тяжелые металлы (Pt, Ta, W), позволяют эффективно детектировать спиновые токи, что делает ISHE важным инструментом в экспериментальной спинтронике.

Механизм возникновения спинового тока

Спиновый ток, преобразуемый через ISHE, может быть сгенерирован различными способами:

  1. Спин-Нахождение из ферромагнетиков: при динамическом возбуждении ферромагнетика (например, ферромагнитного резонанса) происходит «выкачка спинов» (spin pumping) в смежный неферромагнитный металл.
  2. Эффект Рашбы и др. спин-орбитальные взаимодействия: в системах с сильным спин-орбитальным взаимодействием возможна генерация спинового тока под действием электрического поля (spin Hall effect).
  3. Термические градиенты: спиновый северовский эффект (spin Seebeck effect) позволяет создавать спиновый ток за счет теплового градиента в магнитном материале.

После генерации спинового тока в неферромагнитном проводнике с сильным спин-орбитальным взаимодействием возникает поперечное электрическое поле, которое можно зарегистрировать как напряжение на контактах.

Математическое описание ISHE

Электрический ток, индуцированный обратным спиновым эффектом Холла, можно записать через тензорное соотношение:

$$ \mathbf{J}_c = \theta_\mathrm{SH} \frac{2e}{\hbar} (\mathbf{J}_s \times \mathbf{\sigma}) $$

где:

  • Jc — индуцированный электрический ток,
  • θSH — коэффициент спинового Холла,
  • Js — спиновый ток,
  • σ — единичный вектор направления спина,
  • e — заряд электрона, ℏ — редуцированная постоянная Планка.

Эта зависимость показывает, что направление индуцированного тока перпендикулярно как спиновому току, так и ориентации спинов.

Влияние материала и интерфейсных эффектов

Эффективность обратного спинового эффекта Холла сильно зависит от выбора материала и качества интерфейса:

  • Материалы с сильным спин-орбитальным взаимодействием: тяжелые металлы (Pt, W, Ta) демонстрируют высокие значения θ_SH, что позволяет генерировать заметное напряжение даже при малых спиновых токах.
  • Толщина слоя: максимальный эффект наблюдается при толщине слоя, сравнимой с длиной спиновой диффузии. При больших толщинах спины рассеиваются, снижая выходное напряжение.
  • Интерфейс ферромагнетик–неферромагнетик: качество контакта влияет на эффективность спинового выкачивания; гладкая и чистая граница минимизирует потери спиновой поляризации.

Экспериментальная реализация

На практике ISHE используется для детектирования спиновых токов в следующих схемах:

  1. Выкачивание спинов из ферромагнетика: ферромагнитный слой подвергается микроволновому возбуждению, индуцируя спиновый ток в смежный слой Pt. Измерение поперечного напряжения позволяет оценить величину θ_SH.
  2. Термоэлектрические методы: при наличии теплового градиента вдоль магнитного материала спиновый ток индуцирует электрическое напряжение в тяжелом металле.
  3. Оптическая генерация спинового тока: использование круговой поляризации света в полупроводниках позволяет создавать спиновый ток без применения электрического поля.

Применение в спинтронике

ISHE играет ключевую роль в развитии спинтронных устройств:

  • Спиновые детекторы: прямое измерение спиновых токов для контроля и диагностики спиновых логических элементов.
  • Генерация чистых электрических сигналов: преобразование спинового сигнала в электрический без необходимости магнитного поля.
  • Исследование фундаментальных процессов спиновой диффузии и спин-орбитального взаимодействия: ISHE служит экспериментальным инструментом для изучения спиновых характеристик материалов.

Особенно перспективно сочетание ISHE с эффектами Рашбы и Дрессельхауза, что открывает возможности для эффективного управления спинами без использования ферромагнитных материалов.

Оглавление