Кіріспе
Физикадағы көлік құбылысы Спин Холл эффектісі (СХЭ) - 1971 жылы орыс физиктері Михаил И. Дьяконов пен Владимир И. Перел болжаған көлік құбылысы. Ол электр тогын тасымалдайтын сынаманың бүйір беттерінде спин жинақталуының пайда болуынан тұрады, спин бағыттарының белгілері қарама-қарсы шекараларда қарама-қарсы болады. Цилиндрлі сымда ток әсерінен пайда болған беткі айналу сымның айналасына айналады. Ағымдағы бағыт кері бұрылғанда, спин бағытының бағыты да кері бұрылады.
The spin Hall effect (SHE) is a transport phenomenon predicted by Russian physicists Mikhail I. Dyakonov and Vladimir I. Perel in 1971. It consists of the appearance of spin accumulation on the lateral surfaces of an electric current carrying sample, the signs of the spin directions being opposite on the opposing boundaries. In a cylindrical wire, the current induced surface spins will wind around the wire. When the current direction is reversed, the directions of spin orientation is also reversed.
Анықтама
Спин Холл эффектісі - электр тогын тасымалдайтын сынаманың бүйір бетінде спин жинақталуынан тұратын тасымалдау құбылысы. Қарсы беттердің шекараларында қарама-қарсы белгілер болады. Бұл классикалық Холл эффектіне ұқсас, онда магнит өрісінде электр тогын тасымалдайтын үлгіде қарама-қарсы белгілердің зарядтары қарама-қарсы бүйір беттерінде пайда болады. Классикалық Холл эффектісі жағдайында шекараларда жинақталған заряд магнит өрісіне байланысты сынамадағы заряд тасымалдаушыларға әсер ететін Лоренц күшін өтейтін болады. Спин Холл эффектісі үшін магнит өрісі қажет емес, ол таза спинге негізделген құбылыс. Спин-Холл эффектісі ферромагниттерде ұзақ уақыттан бері белгілі аномальды Холл эффектісімен бірдей отбасына жатады, ол да спин-орбиталық өзара әрекеттесуден пайда болады.
Тарих
Спин Холл эффектісін (тікелей және кері) 1971 жылы орыс физиктері Михаил И. Дьяконов пен Владимир И. Перел болжаған. Жартылай өткізгіштердегі оптикалық спин бағыты бойынша кері спин Холл эффектісін өлшеудің жолын ұсынған. Бұл идеяға негізделген кері спин Холл эффектісінің алғашқы эксперименталды көрсетілімін Bakun және басқалар орындады. 1984 жылы "спин Холл эффектісі" термині 1999 жылы осы әсерді қайта болжаған Хиршпен таныстырылды. Тәжірибелік тұрғыдан, (тікелей) спин Холл эффекті жартылай өткізгіштерде бастапқы болжаудан кейін 30 жылдан астам уақыттан кейін байқалды.
The term "spin Hall effect" was introduced by Hirsch who re predicted this effect in 1999. Experimentally, the (direct) spin Hall effect was observed in semiconductors more than 30 years after the original prediction.
Физикалық шығу тегі
Спин Холл эффектісіне екі мүмкін механизм себеп болады, онда электр тогы (қозғалатын зарядтардан құралған) спин тоғына (ауысым ағынысыз қозғалатын спиндердің тоғы) айналады. Дьяконов пен Перел ойлап тапқан бастапқы (экстринзикалық) механизм спинге тәуелді Мотт шашырауынан тұрады, онда спиндері қарама-қарсы тасымалдаушылар материалдағы қоспалармен соқтығысқанда қарама-қарсы бағытта таралады. Екінші механизм материалдың ішкі қасиеттеріне байланысты, онда тасымалдаушының траекториясы материалдағы асимметриялардың салдарынан спин-орбиталық өзара әрекеттесуге байланысты бұзылады. Электрон мен айналып жатқан теннис добы арасындағы классикалық ұқсастықты қолданып, ішкі әсерді интуитивті түрде елестетуге болады. Теннис добы ауадағы тура жолынан айналу сезіміне байланысты бағытта ауытқыйды, бұл Магнус эффекті деп те аталады. Қатты денеде ауаның орнын материалдағы асимметриялар салдарынан тиімді электр өрісі алады, магнит моменті (спинмен байланысты) мен электр өрісі арасындағы салыстырмалы қозғалыс электрондардың қозғалысын бұзатын қосындыны жасайды. Стандартты Холл эффектісіне ұқсас, сыртқы және ішкі механизмдер қарама-қарсы жақты шекараларда қарама-қарсы белгілердің айналу жинақталуына әкеледі.
Математикалық сипаттама
Спин тогы сипатталады Соңғы жылдары спин Холл магнит кедергісі магниттік және магниттік емес материалдарда (спин орбитасының өзара әрекеттесуі күшті болатын Pt, Ta, Pd сияқты ауыр металдар) тәжірибе жүзінде кеңінен зерттелді.
Спиндік токтарды алмастыру
Лифшиц пен Дьяконов спиндік токтардың айналу және ағыс бағыттарының алмасуынан (алмасуынан) тұратын трансформациясын болжады. Осылайша, y бойымен поляризацияланған спиннің x бағытындағы ағыны x бойымен поляризацияланған спиннің y бағытындағы ағынына айналады. Бұл болжамды әлі тәжірибе жүзінде растаған жоқ.
Оптикалық бақылау
Тура және кері спинді Холл эффектісін оптикалық құралдармен бақылауға болады. Спин жинақталуы сәулеленуші жарықтың дөңгелек полярлануын, сондай-ақ таратылатын (немесе шағылысқан) жарықтың Фарадей (немесе Керр) полярлануының айналуын тудырады. Шығаратын жарықтың поляризациясын бақылау спин Холл эффектісін байқауға мүмкіндік береді. Жақында ғана жартылай өткізгіштерде ғана емес, металдарда да тікелей және кері әсерлердің бар екендігі дәлелденді.
Қолданбалар
Спин Холл эффектісі электронның спинін электрлік түрде басқару үшін пайдаланылуы мүмкін. Мысалы, электрлік араластыру әсерімен бірге спин Холл әсері жергілікті өткізгіш аймақта спин поляризациясына әкеледі.