Спиновый эффект Холла

Спиновый эффект Холла (Spin Hall Effect, SHE) является фундаментальным явлением в спинтронике, демонстрирующим возможность генерации поперечной спиновой поляризации в невырожденных проводниках и полупроводниках без внешнего магнитного поля. В отличие от обычного эффекта Холла, где движение зарядов создаёт поперечное напряжение под действием магнитного поля, спиновый эффект Холла возникает за счёт спин–орбитального взаимодействия внутри материала.

Ключевой особенностью SHE является разделение носителей с различной ориентацией спина в направлении, перпендикулярном к приложенному току. Электроны с “вверх” спином и “вниз” спином отклоняются в противоположные стороны, создавая чистый спиновый ток без переноса заряда.

Механизмы возникновения спинового эффекта Холла

Существует несколько основных механизмов, объясняющих природу SHE:

  1. Эффект внутренней (интринзик) спин–орбитальной связи

    • Возникает из-за взаимодействия движения электронов с электрическим полем атомного ядра.
    • В системах с высокой атомной массой, где спин–орбитальная связь сильна, отклонение электронов по спину становится заметным.
    • Электроны с противоположными спинами испытывают противоположные поперечные силы, что и создаёт поперечный спиновый ток.

  2. Эффект рассеяния на примесных центрах (extrinsic SHE)

    • Механизм скининг (skew scattering): асимметричное рассеяние электронов на примесных атомах с сильной спин–орбитальной связью.
    • Механизм бокового смещения (side-jump): смещение траектории электрона при рассеянии из-за локальной спин–орбитальной силы.

  3. Интерференционные эффекты

    • В некоторых кристаллических решётках возникает кооперативное воздействие спин–орбитальной связи на когерентные состояния электронов, усиливающее SHE.

Математическое описание

С точки зрения квантовой механики, спиновый эффект Холла можно описать через спиновую проводимость, σSH, связывающую приложенный электрический ток с возникающим поперечным спиновым током:

$$ \mathbf{J}_s = \sigma_{SH} \, \mathbf{E} \times \hat{\mathbf{s}} $$

где:

  • Js — плотность спинового тока,
  • E — приложенное электрическое поле,
  • $\hat{\mathbf{s}}$ — единичный вектор направления спина.

Для интринзик SHE часто используется формализм Теории линейной реакции Кона–Кубо, учитывающий спиновые токи как ответ на электрическое поле с учётом полной структуры энергии электронов и спин–орбитального взаимодействия.

Материалы с выраженным спиновым эффектом Холла

  • Тяжёлые металлы: Pt, Ta, W, где сильная спин–орбитальная связь создаёт крупный SHE.
  • Полупроводники: GaAs, InGaAs — проявляют SHE при низких температурах, особенно при электронной или дырочной проводимости.
  • Топологические изоляторы: Bi2Se3, Bi2Te3 — уникальные поверхности позволяют генерацию спинового тока без рассеяния в объёме.

Ключевым параметром для оценки эффективности материала является коэффициент спиновой Холловской проводимости, который зависит от концентрации электронов, степени спин–орбитальной связи и температуры.

Методы измерения SHE

  1. Оптические методы

    • Использование эффекта Керра или Фарадея для наблюдения локальной спиновой поляризации на границах образца.

  2. Электрические измерения

    • Генерация и детектирование спинового тока с помощью спиновых клапанов и магнитных контактов.
    • Измерение обратного спинового эффекта Холла (Inverse Spin Hall Effect, ISHE) для преобразования спинового тока в электрический сигнал.

  3. Смешанные методы

    • Комбинация оптической визуализации и электрических контактов позволяет исследовать пространственное распределение спинового тока и оценивать вклад различных механизмов.

Применение спинового эффекта Холла

  • Спиновые генераторы и детекторы: SHE позволяет создавать чистый спиновый ток без применения внешнего магнитного поля.
  • Магнитная память MRAM: использование SHE для эффективного переключения магнитных элементов через спин–ток.
  • Квантовые вычисления: SHE обеспечивает управление спинами без потерь заряда, критично для квантовых спиновых цепочек.
  • Сенсорные технологии: высокочувствительные магнитные сенсоры на основе спиновых токов, увеличивающие точность измерений при малых магнитных полях.

Влияние структуры и геометрии

  • Толщина пленки: в тонких металлах SHE проявляется сильнее из-за увеличения вклада поверхностных эффектов.
  • Кристаллографическая ориентация: направление кристаллографических осей может усиливать или ослаблять эффект в интринзик механизмах.
  • Температурная зависимость: при низких температурах вклад интринзик эффекта усиливается, а экстринзик может доминировать при высоких температурах.

Современные тенденции

  1. Поиск новых материалов с высокой спиновой Холловской проводимостью — металлы с тяжелыми элементами, топологические изоляторы, двухмерные материалы (graphene, MoS2).
  2. Интеграция SHE в спинтронные схемы — создание спиновых логических элементов и генераторов спинового тока для энергоэффективной электроники.
  3. Комбинация с другими спиновыми эффектами — интеграция SHE с эффектом Рашбы, DMI и скиннингом для управления спинами на наноуровне.
Оглавление