Спиновое рассеяние на границах раздела

Спиновое рассеяние на границах раздела представляет собой ключевой феномен в спинтронике, определяющий эффективность передачи спинового тока через интерфейсы между различными материалами. Основные механизмы рассеяния включают рассеяние из-за несовпадения зонных структур, магнитного неоднородного поля и спин-орбитального взаимодействия на границе. Эти процессы критически влияют на спиновую инжекцию, спин-диффузию и коэрентность спинового состояния.

Несовпадение зонных структур и барьеры

При переходе электронов через интерфейс двух материалов возникает несовпадение зонных структур, которое приводит к частичному отражению электронов. В ферромагнитно–неферромагнитных системах различие плотности состояний для спинов вверх и вниз на Ферми–уровне создает спин-зависимые коэффициенты пропускания, что проявляется как:

  • Спиновое фильтрование — избирательная передача спинов с определенной ориентацией.
  • Интерфейсное рассеяние — повышение вероятности инверсии спина на границе из-за несовпадения импедансов для разных спиновых каналов.

Энергетические барьеры на интерфейсе могут быть как тонкими и высокими, так и широкими и низкими, что напрямую влияет на вероятность туннельного спинового перехода.

Магнитная неоднородность интерфейса

Если на границе присутствует локальная магнитная неоднородность, например из-за магнитных примесей или неидеальной кристаллической структуры, электроны испытывают локальные магнитные поля, которые приводят к:

  • Деполяризации спина — уменьшение степени спиновой поляризации проходящего тока.
  • Смешиванию спиновых состояний — рост вероятности перехода между спинами вверх и вниз.

Математически эффект можно описать через матрицу рассеяния для спинового тока, где коэффициенты отражения и пропускания зависят от ориентации спина относительно локальной магнитной оси.

Спин-орбитальное рассеяние на интерфейсе

Спин-орбитальное взаимодействие (SOC) на границах играет решающую роль, особенно в интерфейсах тяжелых металлов / ферромагнетиков. SOC приводит к:

  • Инверсии спина при отражении — эффект, аналогичный Rashba-эффекту на поверхности.
  • Генерации спин-орбитального тока — преобразование заряда в спиновый ток через межзонное рассеяние.

Классическое описание используется через Rashba Hamiltonian:

$$ \hat{H}_\mathrm{R} = \alpha_\mathrm{R} (\hat{\mathbf{σ}} \times \mathbf{k}) \cdot \mathbf{\hat{z}} $$

где αR — константа интерфейсного SOC, $\hat{\mathbf{σ}}$ — вектор Паули, k — волновой вектор, ẑ — нормаль к границе. Этот механизм обеспечивает дополнительное рассеяние спинов, усиливая деполяризацию и создавая возможность генерации спин-аккумулированного тока.

Роль температуры и фононного взаимодействия

Температурные флуктуации усиливают спиновое рассеяние через фонон-спин взаимодействие на границе. Основные эффекты:

  • Увеличение вероятности инверсии спина при повышении температуры.
  • Снижение длины спиновой диффузии на интерфейсе.
  • Динамическое рассеяние на поверхностных фононах, создающих случайное магнитное поле для электрона.

Для низких температур критичны квантовые колебания интерфейса, которые могут вызывать коэрентное рассеяние с фазовым сдвигом спиновой волновой функции.

Моделирование и формализм

Для количественного описания спинового рассеяния на границах применяются:

  1. Матричная теория рассеяния (S-матрица) — учитывает вероятность отражения и пропускания для каждого спинового состояния.
  2. Диффузионная модель спинового тока — используется для толстых слоев, где учитывается спин-декогеренция и спин-диффузионная длина:

$$ \frac{\partial \mathbf{μ}_s}{\partial t} = D_s \nabla^2 \mathbf{μ}_s - \frac{\mathbf{μ}_s}{\tau_s} $$

где μs — спиновый потенциал, Ds — коэффициент спиновой диффузии, τs — спиновое время релаксации.

  1. Туннельная модель Барриеров — описывает спин-зависимую вероятность прохождения через энергетический барьер на границе.

Экспериментальные наблюдения

  • Спиновые токи в металлах: измеряются с помощью не локальных спиновых клапанов, где интерфейсное рассеяние прямо влияет на величину зарегистрированного сигнала.
  • FERMI-level спин-поляризация: определяется через спин-зависимую туннельную спектроскопию.
  • Эффекты SOC на интерфейсах: наблюдаются через интерфейсные спиновые токи и спиново-орбитальные торки, измеряемые методом ST-FMR (Spin Torque Ferromagnetic Resonance).

Влияние структуры интерфейса

Факторы, определяющие эффективность спиновой передачи через границу:

  • Кристаллическая согласованность: идеально согласованные интерфейсы уменьшают спиновое рассеяние.
  • Толщина межслойного слоя: тонкие оксидные слои могут действовать как спин-фильтры.
  • Присутствие примесей: магнитные и немагнитные дефекты создают локальные поля, повышающие спин-рассеяние.
  • Направление намагниченности ферромагнетика: ключевой параметр для спиновой селективности.

Эти аспекты формируют основу интерфейсного инжектирования спина, критически важного для спинтронных устройств, таких как MRAM, спиновые транзисторы и топологические спиновые цепи.

Оглавление