Спиновый транспорт

Основные понятия и физика явления

Спиновый транспорт — это перенос электронного спина в материалах и наноструктурах, не всегда сопровождающийся переносом заряда, или сопровождающийся им, но обладающий дополнительными особенностями. Он лежит в основе спинтроники — области, где используются спиновые степени свободы электронов для обработки и хранения информации.

Спиновая поляризация и спиновые токи

Электроны обладают внутренним угловым моментом — спином, который может принимать два ориентации: “вверх” или “вниз”. Спиновая поляризация характеризует разницу в концентрациях или потоках спинов двух ориентаций.

Спиновый ток — поток спина, который может существовать даже без потока заряда.
Может быть продольным (перенос вдоль направления движения электронов) и поперечным (перпендикулярным).

Механизмы генерации спинового тока

Инжекция из ферромагнетиков — при прохождении тока через ферромагнитный материал электронный поток поляризуется по спину.
Спин-орбитальное взаимодействие — в материалах с сильной спин-орбитальной связью (например, тяжелых металлах) электрическое поле индуцирует спиновые токи (эффекты Шеффлера, Рашба).
Спиновая накачка — динамическое возбуждение магнитного состояния генерирует спиновые токи.

Дифузия и релаксация спина

Спиновые состояния электронов сохраняются не бесконечно, а теряют когерентность со временем:

Время спиновой релаксации (τ_s) зависит от взаимодействий с решеткой, дефектами, фононами.
Длина спиновой диффузии — расстояние, на котором спиновая поляризация существенно сохраняется.
Металлы с малой спин-орбитальной связью (например, медь) имеют большую длину диффузии, тяжелые — меньшую.

Туннельные магнитные эффекты

Важным элементом спинового транспорта являются туннельные магнитные соединения:

Магнитный туннельный переход (MTJ) — тонкий изолятор между двумя ферромагнетиками, где сопротивление зависит от взаимной ориентации магнитных моментов (эффект туннельного магнитного сопротивления, TMR).
Используются в спиновых запоминающих устройствах (MRAM).

Эффекты спин-орбитального взаимодействия

Спин-Холловский эффект — при протекании электрического тока в нелегированных металлах с сильным спин-орбитальным взаимодействием возникает поперечный спиновый ток.
Обратный спин-Холловский эффект — преобразование спинового тока обратно в электрический ток.

Эти эффекты позволяют эффективно генерировать и детектировать спиновые токи в системах без ферромагнетиков.

Спиновые волны и магнонный транспорт

Спиновый транспорт может осуществляться и за счет коллективных возбуждений магнитной решетки — магнонов. Это квазичастицы, описывающие возмущения спинового порядка.

Магнонный спиновый ток может переносить информацию без переноса заряда.
Перспективы для низкоэнергетических спинтронных устройств.

Методы изучения и измерения

Спин-валовая транзисторная геометрия — измерение сопротивления и спинового тока в наноструктурах.
Оптические методы (спиновая люминесценция, Kerr-эффект) — исследование спиновой поляризации.
Ферромагнитный резонанс — изучение динамики спина.
Спин-Холловская спектроскопия.