Спиновое время жизни (τs) — это ключевой параметр в спинтронике, характеризующий временной интервал, в течение которого неравновесная спиновая поляризация сохраняется в материале. Для полупроводников это время определяет эффективность передачи и хранения информации в спиновых устройствах. Спиновое время жизни напрямую влияет на работу спинтранзисторов, спиновых вентилей и квантовых битов, основанных на спинах электронов.
Спиновые процессы в полупроводниках подчиняются двум главным механизмам релаксации:
Релаксация Д’якона–Элиша (Elliott–Yafet) — обусловлена спин–орбитальным взаимодействием, при котором рассеяние электрона на дефектах или фононах сопровождается частичной потерей спиновой поляризации. Эффективность этого механизма растет с увеличением атомного номера материала и усилием спин–орбитального взаимодействия.
Механизм Д’юка–Галюкса (Dyakonov–Perel) — возникает в полупроводниках с нецентросимметричной кристаллической структурой. В этом случае спин электрона претерпевает прецессию вокруг эффективного магнитного поля, индуцированного спин–орбитальной связью, и релаксация ускоряется с увеличением времени свободного пробега между столкновениями.
Спиновое время жизни можно оценить через кинетические уравнения для спиновой плотности S(r, t):
$$ \frac{\partial \mathbf{S}}{\partial t} = D_s \nabla^2 \mathbf{S} - \frac{\mathbf{S}}{\tau_s} + \mathbf{\Omega} \times \mathbf{S} + \mathbf{G}(\mathbf{r},t) $$
где Ds — коэффициент спиновой диффузии, Ω — эффективное поле спин–орбитального взаимодействия, G — генерация спина внешними источниками (например, оптической поляризацией).
Для точного моделирования спиновой динамики используют квантово-кинетические подходы, включая уравнения Лиувилля–вона Неймана с учетом спин–орбитального взаимодействия:
$$ \frac{d \rho}{dt} = -\frac{i}{\hbar} [H, \rho] + \mathcal{L}[\rho] $$
где ρ — спиновая матрица плотности, H — гамильтониан электрона с учетом спин–орбитального взаимодействия, ℒ[ρ] — оператор релаксации (линеаризованный по малой спиновой поляризации).
Для механизмов Elliott–Yafet спиновое время жизни определяется как:
$$ \frac{1}{\tau_s} \sim \left( \frac{\Delta_{SO}}{E_g} \right)^2 \frac{1}{\tau_p} $$
где ΔSO — энергия спин–орбитального расщепления, Eg — ширина запрещенной зоны, τp — время свободного пробега электрона.
Для Dyakonov–Perel:
$$ \tau_s \sim \frac{1}{\Omega^2 \tau_p} $$
и здесь спиновое время жизни обратно пропорционально времени свободного пробега, что противоположно Elliott–Yafet.
Контроль спинового времени жизни позволяет создавать материалы и гетероструктуры с оптимизированной спиновой динамикой, что является ключевым для развития высокопроизводительных спинтронных устройств следующего поколения.