스핀 홀 효과

Spin Hall effect

스핀홀 효과(SHE)는 러시아 물리학자 미하일 1세가 예측한 수송 현상이다. 디아코노프와 블라디미르 1세. 1971년 [1][2]페렐 그것은 전류를 운반하는 샘플의 측면 표면에 스핀 축적의 외관, 스핀 방향이 반대편 경계에서 반대편이라는 표시로 구성된다. 원통형 철사에서 전류 유도 표면이 철사 주위를 감돌게 된다. 현재 방향이 뒤바뀌면 스핀 방향의 방향도 뒤바뀌게 된다.

스핀 홀 효과의 개략도
역회전 홀 효과의 개략도

정의

스핀 홀 효과는 전류를 전달하는 샘플의 측면 표면에 스핀 축적이 나타나는 것으로 구성되는 운송 현상이다. 반대편 표면 경계는 반대편 기호의 회전수를 가질 것이다. 그것은 자기장에서 샘플을 운반하는 전류의 반대쪽 측면 표면에 반대편 기호의 전하가 나타나는 고전적인 홀 효과와 유사하다. 고전적인 홀 효과의 경우, 경계에서 누적되는 전하량은 자기장으로 인해 샘플의 전하 캐리어에 작용하는 로렌츠 힘에 대한 보상에 있다. 순전히 스핀 기반 현상인 스핀 홀 효과에는 자기장이 필요하지 않다. 스핀 홀 효과는 페로마네트에서 오랫동안 알려진 변칙적인 홀 효과와 같은 계열에 속하며, 이는 스핀-오빗 상호작용에서도 비롯된다.

역사

스핀 홀 효과(직접 및 역)는 러시아 물리학자 미하일 1세가 예측했다. 디아코노프와 블라디미르 1세. 1971년 [1][2]페렐 그들은 또한 처음으로 스핀 전류 개념을 도입했다.

1983년, Averkiev와 Dyakonov는[3] 반도체에서 광학 스핀 방향 하에서 역 스핀 홀 효과를 측정하는 방법을 제안했다. 이러한 생각을 바탕으로 역 스핀 홀 효과에 대한 최초의 실험적인 실증 실험은[4] 1984년 바쿤 외 연구진에 의해 수행되었다.

"스핀 홀 효과"라는 용어는 허쉬가[5] 1999년에 이 효과를 다시 예측한 것에 의해 도입되었다.

실험적으로 (직접) 스핀홀 효과는 당초 예측 이후 30년 이상 지난 반도체에서[6][7] 관측됐다.

물리적 기원

두 가지 가능한 메커니즘은 스핀 홀 효과에 기원을 부여하며, 이때 전류(이동 전하의 조합)가 스핀 전류(전하 흐름 없이 스핀을 이동하는 전류)로 변환된다. 디아코노프와 페렐이 고안한 원래의 (extrinsic) 메커니즘은 스핀 의존형 Mott 산란으로 구성되었는데, 재료의 불순물과 충돌할 때 반대 방향의 스핀을 가진 캐리어가 반대 방향으로 분산된다. 두 번째 메커니즘은 재료의 비대칭으로 인한 스핀-오비트 상호작용에 의해 캐리어의 궤적이 왜곡되는 물질의 본질적 특성에 기인한다.[8]

전자와 회전하는 테니스 공의 고전적인 유추를 통해 본질적인 효과를 직관적으로 상상할 수 있다. 테니스 공은 회전의 감각에 따라 방향에서 공중에 직진하는 길을 벗어나며, 마그너스 효과라고도 한다. 고체에서 공기는 물질의 비대칭으로 인해 효과적인 전기장으로 대체되며, 자기모멘트(회전과 연관됨)와 전기장 사이의 상대적인 운동으로 인해 전자의 운동을 왜곡하는 결합이 생성된다.

표준 홀 효과와 유사하게, 외인성 메커니즘과 내인성 메커니즘 모두 반대쪽 측면 경계에 반대되는 기호의 스핀 축적을 초래한다.

수학적 설명

스핀 전류는 2등급 텐서 q로ij 설명되며[1][2], 여기서 첫 번째 지수는 흐름의 방향을 가리키며, 두 번째 지수는 흐르는 스핀 구성 요소에 대한 것이다. 따라서 q는xy x-방향에서 스핀의 y-성분의 흐름 밀도를 나타낸다. 또한 전하 흐름 밀도의 벡터 qi(정상 전류 밀도 j=eq와 관련됨)를 소개한다. 여기서 e는 기본 전하다. 스핀과 전하 전류의 결합은 스핀-오빗 상호작용에 의한 것이다. 단일 치수 없는 연결 변수 ʏ를 도입하여 매우 간단한 방법으로[9] 설명할 수 있다.

스핀 홀 자기저항

주요기사 : 스핀홀 자기저항

스핀 홀 효과에는 자기장이 필요하지 않다. 그러나 표면에서 스핀의 방향에 수직인 방향으로 충분히 강한 자기장이 가해진다면 스핀은 자기장 방향을 중심으로 진행되며 스핀 홀 효과는 사라지게 된다. 따라서 자기장이 존재하는 경우, 직접 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀 효과의 결합 작용은 스핀-오비트 상호작용에서 두 번째 순서의 효과인 샘플 저항의 변화를 이끈다. 이는 이미 1971년에[2] 디아코노프와 페렐에 의해 주목받았고, 이후 디아코노프에 의해 더욱 상세히 설명되었다.[9] 최근 몇 년 동안 스핀 홀 자기저항은 자성과 비자기성 물질 모두에서 실험적으로 광범위하게 연구되었다(스핀-오빗 상호작용이 강한 Pt, Ta, Pd와 같은 중금속).

스핀 전류 스와핑

스핀과 흐름 방향(qij → qji)의 상호 교환(스왑)으로 구성된 스핀 전류의 변환은 리프시트와 디아코노프가 예측했다.[10] 따라서 y를 따라 편광된 스핀의 x방향 흐름은 x를 따라 편광된 스핀의 y방향 흐름으로 변환된다. 이 예측은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.

광학 모니터링

직접 및 역회전 홀 효과는 광학 수단을 통해 모니터링할 수 있다. 스핀 축적은 방출된 빛의 원형 양극화뿐만 아니라 송신된(또는 반사된) 빛의 패러데이(또는 커) 양극화 회전을 유도한다. 방출되는 빛의 양극화를 관찰하면 스핀 홀 효과를 관찰할 수 있다.

보다 최근에는 반도체뿐만 아니라 [11]금속에서도 직접효과와 역효과 모두의 존재가 입증되었다.[12][13][14]

적용들

스핀 홀 효과는 전자 스핀을 전기적으로 조작하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 교반 효과와 결합하여 스핀 홀 효과는 국지적인 전도 영역에서 스핀 양극화로 이어진다.[15]

추가 읽기

스핀 홀 효과에 대한 검토는 다음을 참조하십시오.

  • Dyakonov, Mikhail I. (2008). Spin Physics in Semiconductors. Springer Series in Solid-State Sciences. 157. Springer. doi:10.1007/978-3-540-78820-1. ISBN 978-3-540-78820-1.

참고 항목

참조

  1. ^ Jump up to: a b c M. I. Dyakonov and V. I. Perel (1971). "Possibility of orientating electron spins with current". Sov. Phys. JETP Lett. 13: 467. Bibcode:1971JETPL..13..467D.
  2. ^ Jump up to: a b c d M. I. Dyakonov & V. I. Perel (1971). "Current-induced spin orientation of electrons in semiconductors". Phys. Lett. A. 35 (6): 459. Bibcode:1971PhLA...35..459D. doi:10.1016/0375-9601(71)90196-4.
  3. ^ N. S. Averkiev and M. I. Dyakonov (1983). "Current due to non-homogeneous spin orientation in semiconductors". Sov. Phys. JETP Lett. 35: 196.
  4. ^ A. A. Bakun; B. P. Zakharchenya; A. A. Rogachev; M. N. Tkachuk; V. G. Fleisher (1984). "Detection of a surface photocurrent due to electron optical orientation in a semiconductor". Sov. Phys. JETP Lett. 40: 1293. Bibcode:1984JETPL..40.1293B.
  5. ^ J. E. Hirsch (1999). "Spin Hall Effect". Phys. Rev. Lett. 83 (9): 1834–1837. arXiv:cond-mat/9906160. Bibcode:1999PhRvL..83.1834H. doi:10.1103/PhysRevLett.83.1834. S2CID 59332923.
  6. ^ Y. Kato; R. C. Myers; A. C. Gossard; D. D. Awschalom (11 November 2004). "Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors". Science. 306 (5703): 1910–1913. Bibcode:2004Sci...306.1910K. doi:10.1126/science.1105514. PMID 15539563. S2CID 21374868.
  7. ^ J. Wunderlich; B. Kaestner; J. Sinova; T. Jungwirth (2005). "Experimental Observation of the Spin-Hall Effect in a Two-DimensionalSpin-Orbit Coupled Semiconductor System". Phys. Rev. Lett. 94 (4): 047204. arXiv:cond-mat/0410295. Bibcode:2005PhRvL..94d7204W. doi:10.1103/PhysRevLett.94.047204. PMID 15783592. S2CID 119357053.
  8. ^ Manchon, A.; Koo, H. C.; Nitta, J.; Frolov, S. M.; Duine, R. A. (September 2015). "New perspectives for Rashba spin–orbit coupling". Nature Materials. 14 (9): 871–882. arXiv:1507.02408. Bibcode:2015NatMa..14..871M. doi:10.1038/nmat4360. ISSN 1476-4660. PMID 26288976. S2CID 24116488.
  9. ^ Jump up to: a b M. I. Dyakonov (2007). "Magnetoresistance due to edge spin accumulation". Phys. Rev. Lett. 99 (12): 126601. arXiv:0705.2738. Bibcode:2007PhRvL..99l6601D. doi:10.1103/PhysRevLett.99.126601. PMID 17930533. S2CID 22492919.
  10. ^ M. B. Lifshits and M. I. Dyakonov (2009). "Swapping spin currents". Phys. Rev. Lett. 103 (18): 186601. arXiv:0905.4469. Bibcode:2009PhRvL.103r6601L. doi:10.1103/PhysRevLett.103.186601. PMID 19905821. S2CID 28816808.
  11. ^ H. Zhao; E. J. Loren; H. M. van Driel; A. L. Smirl (2006). "Coherence Control of Hall Charge and Spin Currents". Phys. Rev. Lett. 96 (24): 246601. Bibcode:2006PhRvL..96x6601Z. doi:10.1103/PhysRevLett.96.246601. PMID 16907264.
  12. ^ E. Saitoh; M. Ueda; H. Miyajima; G. Tatara (2006). "Conversion of spin current into charge current at room temperature: inverse spin-Hall effect". Applied Physics Letters. 88 (18): 182509. Bibcode:2006ApPhL..88r2509S. doi:10.1063/1.2199473.
  13. ^ S. O. Valenzuela; M. Tinkham (2006). "Direct Electronic Measurement of the Spin Hall Effect". Nature. 442 (7099): 176–9. arXiv:cond-mat/0605423. Bibcode:2006Natur.442..176V. doi:10.1038/nature04937. PMID 16838016. S2CID 4304951.
  14. ^ T. Kimura; Y. Otani; T. Sato; S. Takahashi; S. Maekawa (2007). "Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect". Phys. Rev. Lett. 98 (15): 156601. arXiv:cond-mat/0609304. Bibcode:2007PhRvL..98o6601K. doi:10.1103/PhysRevLett.98.156601. PMID 17501368. S2CID 38362364.
  15. ^ Yu. V. Pershin; N. A. Sinitsyn; A. Kogan; A. Saxena; D. Smith (2009). "Spin polarization control by electric stirring: proposal for a spintronic device". Appl. Phys. Lett. 95 (2): 022114. arXiv:0906.0039. Bibcode:2009ApPhL..95b2114P. doi:10.1063/1.3180494. S2CID 67771810.