Определение и свойства спиновых токов

Спиновый ток — это поток спинового момента, переносимый носителями заряда (электронами) в материале, который может существовать даже в отсутствии электрического тока. В отличие от обычного электрического тока, характеризующегося движением заряженных частиц, спиновый ток описывает направление и величину спиновой поляризации, переносимой носителями. Он играет ключевую роль в спинтронике, позволяя управлять магнитными состояниями материалов без значительных энергетических затрат.

Математическое описание спинового тока

Спиновый ток J_s можно представить как тензор второго ранга, где каждая компонента описывает поток определённой проекции спина в определённом направлении пространства:

$$ \mathbf{J}_s = \sum_i \langle \hat{\mathbf{s}}_i \otimes \mathbf{v}_i \rangle $$

где:

• $\hat{\mathbf{s}}_i$ — оператор спина i-го электрона,
• v_i — оператор скорости электрона,
• ⊗ — тензорное произведение,
• ⟨…⟩ — квантовомеханическое среднее по состоянию системы.

Это описание позволяет учитывать как направление спина, так и направление движения носителя, что критически важно для анализа спиновых эффектов в низкоразмерных и топологических материалах.

Классификация спиновых токов

Спиновые токи могут быть двух типов:

1. Чистый спиновый ток Возникает при отсутствии электрического тока, когда число носителей движения в противоположных направлениях одинаково, но их спины противоположны. В этом случае электрический заряд не переносится, но спиновый момент течет через материал.

2. Спиновый ток, сопровождающий электрический ток Спиновые носители движутся вместе с электрическим током, и спиновая поляризация создаётся за счёт несимметричного распределения спинов среди движущихся электронов. Этот тип тока характерен для ферромагнетиков и материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием.

Механизмы генерации спинового тока

Основные механизмы:

• Эффект Зеемана и градиент химического потенциала спинов: в магнитных материалах различие уровней энергии для спинов “вверх” и “вниз” создает диффузионный спиновый ток.
• Эффект спин-Гальвана: в немагнитных материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием электрический ток индуцирует перпендикулярный чистый спиновый ток.
• Прецессия и торсионные эффекты: изменения магнитного поля или магнитной анизотропии вызывают динамический спиновый ток в ферромагнетиках.
• Стационарное и тепловое спин-движение: градиенты температуры или концентрации создают спиновые потоки, аналогично термоэлектрическому эффекту для заряда.

Свойства спиновых токов

1. Направленность Спиновый ток характеризуется двумя векторами: направлением движения носителей и ориентацией спина. Эти векторы могут быть неколлинеарны, что создаёт сложные тензорные свойства тока.

2. Сохранение и рассеяние В идеальных системах спиновый ток сохраняется, но в реальных материалах спиновая релаксация и взаимодействие с решёткой или дефектами приводят к экспоненциальному уменьшению величины тока. Характерной величиной является длина спиновой диффузии λ_s, на которой спиновый ток уменьшается в e-раз:

   J_s(x) = J_s(0)e^−x/λ_s

3. Декуплинг от электрического тока Спиновые токи могут существовать без переноса заряда, что открывает возможности для низкоэнергетического управления магнитными состояниями.

4. Индуцирование спиновых торсионных моментов Прохождение спинового тока через ферромагнетик создаёт крутящий момент на локальные магнитные моменты (spin-transfer torque), что позволяет изменять направление намагниченности без внешнего магнитного поля.

Взаимодействие спиновых токов с магнитными структурами

Спиновые токи способны вызывать динамические эффекты в ферромагнетиках и ферримагнетиках:

• Сдвиг доменных стенок: чистый спиновый ток может перемещать доменные границы, изменяя локальную намагниченность.
• Индуцирование магнитных колебаний: спиновый ток может возбуждать магноны, приводя к генерации высокочастотных магнитных волн.
• Эффект обратной связи: взаимодействие спинового тока с магнитной решёткой изменяет локальные свойства спинового потока, создавая нелинейные динамические явления.

Экспериментальные методы обнаружения

• Нелокальная спинтранспортная конфигурация: измерение разности потенциалов в структуре, где электрический ток и спиновый ток пространственно разделены.
• Оптические методы: вращение плоскости поляризации света (эффект Керра или Фарадея) позволяет наблюдать спиновые потоки.
• Электрические измерения через спин-Гальванический эффект: преобразование спинового тока обратно в электрический сигнал в соседнем проводнике.

Спиновые токи формируют основу современной спинтроники, обеспечивая контроль над магнитными состояниями на наноуровне без значительных затрат энергии. Их понимание требует комплексного подхода, объединяющего квантовую механику, магнитные взаимодействия и транспортные явления в конденсированных средах.