Спиновая поляризация носителей заряда является фундаментальным понятием в спинтронике и отражает асимметрию распределения электронов с различными ориентациями спина в проводнике или полупроводнике. Формально, степень спиновой поляризации P определяется как
$$ P = \frac{n_\uparrow - n_\downarrow}{n_\uparrow + n_\downarrow}, $$
где n↑ и n↓ — концентрации электронов с спином вверх и вниз соответственно. При P = 0 система спиново нейтральна, а при P = ±1 наблюдается полная спиновая поляризация.
Спиновая поляризация играет ключевую роль в функционировании спинтронных устройств, таких как магниторезистивные сенсоры, спиновые транзисторы и устройства на основе эффекта спинового переноса момента.
Ферромагнитные материалы В ферромагнетиках за счёт обменного взаимодействия электроны с одинаковым спином занимают энергетически более выгодные состояния. Это приводит к естественной спиновой поляризации на уровне электронного газа. Вблизи поверхности или интерфейса с немагнитным проводником спиновая поляризация может распространяться через эффект спиновой инжекции.
Электронная спиновая инжекция Спиновая инжекция осуществляется через контакт ферромагнитного материала с немагнитным проводником. При приложении электрического тока через такой интерфейс возникает асимметрия в распределении спинов, создавая нетепловую спиновую поляризацию в немагнитном материале. Эффективность инжекции определяется степенью спиновой селективности контакта, сопротивлением интерфейса и длиной спиновой диффузии.
Эффекты сильного спин–орбитального взаимодействия В материалах с большим спин–орбитальным взаимодействием, таких как тяжелые металлы или топологические изоляционные материалы, возникают спиновые токи, даже при отсутствии внешнего магнитного поля, через такие механизмы, как эффект Шиффа или эффект Рашбы. Эти эффекты позволяют формировать спиновую поляризацию контролируемым образом.
Оптическая спин-поляризация В полупроводниках поляризация может быть индуцирована с помощью круговой поляризации света. Фотоэкситация электронов приводит к селективной ориентации их спинов, что позволяет создавать сильно поляризованные спиновые токи.
1. Спиновая длина диффузии (λs) Это расстояние, на котором спиновая поляризация сохраняет значительную величину при переносе через материал. В металлах длина спиновой диффузии обычно составляет несколько сотен нанометров, а в полупроводниках может достигать нескольких микрометров.
2. Время спиновой релаксации (τs) Время, за которое первоначальная спиновая поляризация распадается из-за взаимодействий с решеткой, дефектами или другими электронами. Величина τs зависит от механизма релаксации:
3. Температурная зависимость Спиновая поляризация чувствительна к температуре. Повышение температуры усиливает спиновые флуктуации и увеличивает скорость релаксации, что уменьшает степень поляризации.
Туннельная магниторезистансная спектроскопия (TMR) Измерение сопротивления ферромагнитного туннельного контакта позволяет определить спиновую поляризацию по модели Джуэлла–Тиде.
Эффект Андриёва и спиновые клапаны В структурах типа FM/NM/FM (ферромагнетик–немагнит–ферромагнетик) изменение сопротивления при переключении магнитных ориентировок позволяет извлечь степень спиновой поляризации.
Оптические методы Использование круговой поляризации фотолюминесценции в полупроводниках позволяет косвенно оценивать ориентацию спинов и величину спиновой поляризации.
Метод спин-резонанса Электронный спин-резонанс (ESR) или нуклеарный магнитный резонанс (NMR) дают прямую информацию о распределении спинов в объёме материала.