Спиновый эффект Холла

Cпи́новый эффе́кт Хо́лла, эффект пространственного разделения одинаково заряженных носителей заряда в зависимости от ориентации их спина. В отличие от обычного эффекта Холла, который обнаруживается в магнитном поле и в котором пространственное разделение разноимённых зарядов происходит по их знаку, спиновый эффект Холла может наблюдаться даже в отсутствие магнитного поля. Теоретически предсказан М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем в 1971 г. (Дьяконов. 1971) и подтверждён экспериментально в 2004 г. (Observation of the spin Hall effect ... 2004^[1]).

Определяющим условием появления эффекта является наличие рассеивающего центра в виде примеси или дефекта в токопроводящем канале, что обусловливает зависимость направления рассеяния электронов на атоме примеси от ориентации их спинов. Такая связь возникает вследствие спин-орбитального взаимодействия между магнитным моментом, создаваемым движущимся по изогнутой пространственной траектории зарядом, и его собственным магнитным моментом.

Механизм рассеяния спинового эффекта Холла аналогичен эффекту Магнуса в классической физике, согласно которому вращающийся мяч отклоняется от прямолинейной траектории вправо или влево в зависимости от направления своего вращения. Следствием многократного рассеяния носителей заряда при прохождении тока через протяжённый проводник является появление потока спин-поляризованных электронов, перпендикулярного направлению протекания тока (рис. а). Это приводит к накоплению электронов с противоположной спиновой ориентацией на боковых поверхностях проводника, но в общем случае не сопровождается появлением поперечной разности потенциалов, хотя она может возникать при протекании через проводник тока, изначально поляризованного по спину.

Величина спинового эффекта Холла характеризуется спиновым углом Холла $\alpha _{SH}=\sigma _{SH}/\sigma$ , где $\sigma _{SH}$ и $\sigma$ – поперечная и продольная проводимости материала, соответственно, измеренные в поперечном магнитном поле. Величина угла Холла прямо пропорциональна константе спин-орбитальной связи и для большинства проводящих и полупроводниковых материалов варьируется в диапазоне 10^–5 –10^–1 . Спиновый эффект Холла иногда называют внешним, или несобственным.

Существует также внутренний спиновый эффект Холла, или собственный, в котором для создания поперечного спинового тока не требуется наличие примесей. Теоретически предсказан в 2003 г. (Murakami. 2003^[2]). Имеет топологическое происхождение, связанное с кривизной пространства блоховских функций электрона, когда движение электрона с импульсом ${\boldsymbol {p}}$ сопровождается появлением ненулевой фазы (фазы Берри) у квантового состояния электрона в импульсном пространстве. Наличие этой топологической фазы приводит к появлению эффективного магнитного поля, пропорционального величине импульса. Действие эффективного магнитного поля на спин электрона аналогично спин-орбитальному взаимодействию в обычном спиновом эффекте Холла, что приводит к пространственному разделению электронов с противоположными ориентациями спиновых моментов.

Возможен и обратный эффект – генерация зарядового тока неоднородной спиновой плотностью, который называют обратным спиновым эффектом Холла (рис. б). Величина электрического тока оказывается пропорциональной ротору спиновой плотности ${\text{rot}}{\boldsymbol {S}}$ . Эффект был впервые обнаружен в 1984 г. (Обнаружение поверхностного фототока ... 1984).

Практическое применение спинового эффекта Холла (внутреннего, внешнего) и обратного спинового эффекта Холла направлено на управление потоками спин-поляризованных носителей заряда в твердотельных структурах с помощью электрических полей без использования магнитного поля (Concepts in spin electronics. 2006^[3]; Spin physics ... 2008^[4]; Борисенко. 2017^[5]). В частности, на основе этого эффекта предлагается создать спинтронное устройство для генерации спиновой поляризации в мезоскопической области полупроводниковых материалов (Spin polarization control ... 2009^[6]).

↑ Observation of the spin Hall effect in semiconductors / Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D. Awschalom // Science. – 2004. – Vol. 306, № 5703. – P. 1910–1913.
↑ Murаkami S. Dissipationless quantum spin current at room temperature / Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Shou-Сheng Zhang // Science. – 2003. – Vol. 301, № 5638. – P. 1348–1351.
↑ Concepts in spin electronics / ed. by Sadamichi Maekawa. – Oxford ; New York : Oxford University Press, 2006. – (Series on semiconductor science and technology ; 13) (Oxford science publications).
↑ Spin physics in semiconductors / ed. M. I. Dyakonov. – Berlin : Springer, 2008. – (Springer series in solid-state sciences ; 157).
↑ Борисенко В. Е. Спинтроника : учебное пособие для студентов и магистров вузов / В. Е. Борисенко, А. Л. Данилюк, Д. Б. Мигас. – Москва : Лаборатория знаний, 2017. – (Учебник для высшей школы).
↑ Spin polarization control by electric stirring: proposal for a spintronic device / Y. V. Pershin, N. A. Sinitsyn, A. Kogan [et al.] // Applied physics letters. – 2009. – Vol. 95, № 2. – P. 022114–1–022114–3.

Дьяконов М. И. О возможности ориентации электронных спинов током / М. И. Дьяконов, В. И. Перель // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1971. – Т. 13, вып. 11. – С. 657−660.
Обнаружение поверхностного фототока, обусловленного оптической ориентацией электронов в полупроводнике / А. А. Бакун, Б. П. Захарченя, А. А. Рогачев [и др. // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1984. – Т. 40, вып. 11. – С. 464−466.]
Murakami S. Dissipationless quantum spin current at room temperature / S. Murakami, N. Nagaosa, Shou-Сheng Zhang // Science. – 2003. – Vol. 301, № 5638. – P. 1348–1351.
Observation of the spin Hall effect in semiconductors / Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D. Awschalom // Science. – 2004. – Vol. 306, № 5703. – P. 1910–1913.
Concepts in spin electronics / ed. by S. Maekawa. – Oxford ; New York : Oxford University Press, 2006. – (Series on semiconductor science and technology ; 13).
Spin physics in semiconductors / ed. M. I. Dyakonov. – Berlin : Springer, 2008. – (Springer series in solid-state sciences ; 157).
Spin polarization control by electric stirring: proposal for a spintronic device / Y. V. Pershin, N. A. Sinitsyn, A. Kogan [et al.] // Applied physics letters. – 2009. – Vol. 95, № 2. – P. 022114-1–022114-3.
Борисенко В. Е. Спинтроника : учебное пособие для студентов и магистров вузов / В. Е. Борисенко, А. Л. Данилюк, Д. Б. Мигас. – Москва : Лаборатория знаний, 2017. – (Учебник для высшей школы).

[1] Observation of the spin Hall effect in semiconductors / Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D. Awschalom // Science. – 2004. – Vol. 306, № 5703. – P. 1910–1913.

[2] Murаkami S. Dissipationless quantum spin current at room temperature / Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Shou-Сheng Zhang // Science. – 2003. – Vol. 301, № 5638. – P. 1348–1351.

[3] Concepts in spin electronics / ed. by Sadamichi Maekawa. – Oxford ; New York : Oxford University Press, 2006. – (Series on semiconductor science and technology ; 13) (Oxford science publications).

[4] Spin physics in semiconductors / ed. M. I. Dyakonov. – Berlin : Springer, 2008. – (Springer series in solid-state sciences ; 157).

[5] Борисенко В. Е. Спинтроника : учебное пособие для студентов и магистров вузов / В. Е. Борисенко, А. Л. Данилюк, Д. Б. Мигас. – Москва : Лаборатория знаний, 2017. – (Учебник для высшей школы).

[6] Spin polarization control by electric stirring: proposal for a spintronic device / Y. V. Pershin, N. A. Sinitsyn, A. Kogan [et al.] // Applied physics letters. – 2009. – Vol. 95, № 2. – P. 022114–1–022114–3.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

Спиновый эффект Холла

Примечания

Литература