Спиновая диффузия на границах раздела представляет собой перенос спиновой поляризации носителей через интерфейсы между различными материалами, например, ферромагнитными и немагнитными слоями. В отличие от обычной диффузии заряда, спиновая диффузия характеризуется не только концентрацией носителей, но и их спиновой ориентацией. Понимание процессов на границах имеет ключевое значение для разработки спинтронных устройств, таких как магниторезистивные элементы и спиновые транзисторы.
На границе раздела проявляются несколько ключевых эффектов, влияющих на перенос спина:
Спиновая селективность интерфейса В ферромагнитных/немагнитных гетероструктурах коэффициент отражения и пропускания носителей зависит от их спина. Это приводит к возникновению спиновой фильтрации, когда электроны с определённой ориентацией проходят через интерфейс с большей вероятностью.
Спин-обратное рассеяние Вблизи границы спины могут терять ориентацию в результате локальных дефектов, несовпадения кристаллических решёток или магнитных неоднородностей. Этот эффект описывается спин-релаксационной длиной на границе, которая может быть значительно меньше, чем в объёме материала.
Образование спинового заряда Различие в спиновой проводимости слоёв может вызывать накопление спинового заряда на границе. В немагнитных материалах оно проявляется как спиновое накопление, а в ферромагнитных — как локальное изменение магнитного момента.
Для описания спиновой диффузии используют модифицированные уравнения диффузии, включающие спиновую компоненту:
$$ \frac{\partial \mu_s}{\partial t} = D_s \nabla^2 \mu_s - \frac{\mu_s}{\tau_s} + \mathbf{S}_\text{interface} $$
где:
На границе раздела применяют граничные условия, связывающие токи спина по обе стороны интерфейса:
Jsleft − Jsright = G↑(μsleft − μsright)
Jsleft = −Ds∇μsleft, Jsright = −Ds∇μsright
Здесь G↑ — спин-зависимая проводимость интерфейса, учитывающая возможность отражения и передачи спина.
На границах раздела важны коэффициенты отражения Rσ и пропускания Tσ, где σ = ↑,↓ обозначает направление спина. Эти величины зависят от:
Отношение коэффициентов для двух спинов определяет эффективную спиновую поляризацию на границе:
$$ P = \frac{T_\uparrow - T_\downarrow}{T_\uparrow + T_\downarrow} $$
Это ключевой параметр для оценки эффективности спиновой передачи.
Толщина слоёв и микроструктура интерфейса определяют спиновую пропускную способность:
Для изучения спиновой диффузии на границах используют несколько подходов:
Магниторезистивные измерения Изменение сопротивления многослойных структур при внешнем магнитном поле позволяет оценить спин-поляризацию и длину спиновой диффузии.
Оптические методы Техника спинового люминесценции или оптического Керра-эффекта позволяет визуализировать пространственное распределение спина.
Промежуточные электрические контакты Используются для измерения спиновых токов и накопления спина на отдельных границах.