Введение

Транспортный феномен в физике Эффект спина Холла (ЭШЭ) - транспортный феномен, предсказанный российскими физиками Михаилом И. Дьяконовым и Владимиром И. Перелем в 1971 году. Он состоит из появления накопления спина на боковых поверхностях образца, несущего электрический ток, при этом признаки направлений спина противоположны на противоположных границах. В цилиндрической проволоке, вызываемые током поверхностные вращения будут обмотки вокруг проволоки. Когда направление тока переворачивается, направления ориентации спина также переворачиваются.

Определение

Эффект спина Холла - транспортное явление, состоящее из появления накопления спина на боковых поверхностях образца, несущего электрический ток. На противоположных поверхностных границах будут вращения противоположного знака. Это аналогично классическому эффекту Холла, когда заряды противоположного знака появляются на противоположных боковых поверхностях в образце, несущем электрический ток в магнитном поле. В случае классического эффекта Холла накопление заряда на границах компенсирует силу Лоренца, действующую на носители заряда в образце вследствие магнитного поля. Для эффекта спина Холла, явления, основанного исключительно на спине, не требуется магнитное поле. Спиновый эффект Холла относится к тому же семейству, что и аномальный эффект Холла, известный в течение длительного времени в ферромагнетах, который также происходит от взаимодействия спинорбиты.

История

Эффект спина Холла (прямой и обратный) был предсказан российскими физиками Михаилом И. Дьяконовым и Владимиром И. Перелем в 1971 году. Предложил способ измерения обратного спина эффекта Холла при оптической спиновой ориентации в полупроводниках. Первая экспериментальная демонстрация обратного спинового эффекта Холла, основанная на этой идее, была выполнена Бакуном и др. В 1984 году термин "эффект спин-Холла" был введен Хиршем, который предсказал этот эффект в 1999 году. Экспериментально (прямой) спиновый эффект Холла наблюдался в полупроводниках более чем через 30 лет после первоначального предсказания.

Физическое происхождение

Два возможных механизма приводят к эффекту спин-Холла, при котором электрический ток (состоящий из движущихся зарядов) превращается в спиновый ток (поток движущихся спинов без потока заряда). Оригинальный (внешний) механизм, разработанный Дьяконовым и Перелем, состоял из спинозависимого рассеяния Мотта, где носители с противоположным спином диффундируют в противоположных направлениях при столкновении с примесеями в материале. Второй механизм обусловлен внутренними свойствами материала, когда траектории носителя искажаются из-за взаимодействия спин-орбиты вследствие асимметрии в материале. Можно интуитивно представить внутренний эффект, используя классическую аналогию между электроном и вращающимся теннисным мячом. Теннисный мяч отклоняется от прямого пути в воздухе в направлении, зависящем от чувства вращения, также известного как эффект Магнуса. В твердом веществе воздух заменяется эффективным электрическим полем из-за асимметрии в материале, относительное движение между магнитным моментом (связанным со спином) и электрическим полем создает сцепление, которое искажает движение электронов. Подобно стандартному эффекту Холла, как внешний, так и внутренний механизмы приводят к накоплению спинов противоположных знаков на противоположных боковых границах.

Математическое описание

Описание спинового тока В последние годы спиновый магниторезистент Холла широко изучался экспериментально как в магнитных, так и в немагнитных материалах (тяжелых металлах, таких как Pt, Ta, Pd, где сильное взаимодействие спиновой орбиты).

Обменные спиновые токи

Трансформация спиновых токов, состоящая из взаимозаменяемости (обмена) направлений спина и потока (qij → qji), была предсказана Лифшицем и Дьяконовым. Таким образом, поток в направлении x спинов, поляризованных вдоль y, преобразуется в поток в направлении y спинов, поляризованных вдоль x. Это предсказание еще не было подтверждено экспериментально.

Оптический мониторинг

Прямой и обратный эффект Холла спина может контролироваться оптическими средствами. Накопление спина вызывает круговую поляризацию излучаемого света, а также вращение Фарадея (или Керра) поляризацией передаваемого (или отраженного) света. Наблюдение за поляризацией излучаемого света позволяет наблюдать эффект спина Холла. Совсем недавно было доказано существование как прямого, так и обратного эффекта не только в полупроводниках, но и в металлах.

Приложения

Эффект спина Холла может быть использован для манипулирования спинами электронов электрически. Например, в сочетании с электрическим эффектом перемешивания, спиновый эффект Холла приводит к спиновой поляризации в локализованной проводящей области.