Hiệu ứng Hall spin

Hiệu ứng Hall spin là một hiệu ứng được dự đoán bởi nhà vật lý người Nga Mikhail I.Dyakonov và Vladimir I.Perel vào năm 1971^[1][2]. Nó miêu tả sự xuất hiện của sự tích tụ spin ở khu vực hai bên bề mặt của một vật liệu dẫn điện, ở hai bên rìa đối diện dấu của hướng spin ngược nhau. Trong một đoạn dây hình trụ, sự phân cực spin do dòng điện gây ra sẽ nằm uốn xung quanh dây. Khi hướng dòng điện bị đảo ngược, hướng của spin cũng sẽ bị đảo ngược.

Hình ảnh diễn tả hiệu ứng Hall spin

Hình ảnh diễn tả hiệu ứng Hall spin đảo

Khái niệm

Hiệu ứng Hall spin là một hiệu ứng bao gồm sự tích tụ spin ở khu vực hai bên rìa của một vật liệu dẫn điện. Hai rìa đối diện nhau sẽ có dấu spin ngược nhau. Nó tương tự với hiệu ứng spin cổ điển, nơi mà điện tích với dấu đối lập nhau xuất hiện ở rìa đối diện nhau trên bề mặt của một vật liệu dẫn điện trong từ trường. Trong trường hợp của hiệu ứng spin cổ điển, sự tích tụ của điện tích ở hai bên rìa là do lực Lorentz tác động lên các hạt mang điện trong vật liệu đặt trong từ trường. Hiệu ứng Hall spin có thể xảy ra không cần từ trường mà hoàn toàn do hiện tượng dựa trên spin. Hiệu ứng spin Hall thuộc cùng một nhóm với hiệu ứng Hall dị thường xảy ra trong sắt từ có nguồn gốc từ tương tác spin-quỹ đạo.

Lịch sử

Hiệu ứng Hall spin (thuận và đảo) được dự đoán bởi nhà vật lý Nga Mikhail I. Dyakonov và Vladimir I. Perel vào năm 1971. Họ cũng lần đầu tiên giới thiệu về khái niệm của dòng điện spin.

Vào năm 1983, Averkiev và Dyakonov ^[3] đề xuất một phương pháp để đo hiệu ứng Hall spin đảo thông qua việc điều khiển hướng spin bằng quang học trong chất bán dẫn. Dựa trên ý tưởng này, thí nghiệm đầu tiên biểu diễn hiện tượng Hall spin đảo đã được thực hiện bởi Bakun và đồng nghiệp vào năm 1984^[4].

Thuật ngữ "Hiệu ứng Hall spin" được giới thiệu bởi Hirsch^[5] và ông cũng chính là người đã dự đoán lại hiện tượng này vào năm 1999.

Về mặt thực nghiệm, hiệu ứng spin Hall được phát hiện ở chất bán dẫn^[6][7] hơn 30 năm sau khi nó được dự đoán.

Nguồn gốc vật lý của hiện tượng Hall spin

Hai cơ chế có thể là nguồn gốc của hiện tượng Hall spin, ở đó một dòng điện (bao gồm các điện tích chuyển động) biến thành một dòng điện spin (dòng điện với các spin chuyển động nhưng điện tích thì không). Cơ chế đầu tiên được đề xuất bởi Dyakonov Perel bao gồm sự tán xạ Mott phụ thuộc vào spin, khi các hạt mang điện với dấu spin ngược nhau di chuyển theo các hướng đối lập khi va chạm với các tạp chất trong vật liệu. Cơ chế thứ hai là do bản chất vật liệu, khi mà hướng di chuyển của các hạt mang điện bị ảnh hưởng do tương tác spin-quỹ đạo. Đây là kết quả của sự bất đối xứng trong vật liệu^[8].

Chúng ta có thể tưởng tượng cơ chế do bản chất vật liệu bằng việc liên hệ sự với chuyển động của một quả bóng tennis. Quả bóng tennis thay đổi khỏi hướng chuyển động thẳng của nó trong không khí phụ thuộc vào hướng xoáy, được biết đến là hiệu ứng Magnus. Trong chất rắn, không khí được thay thế bởi điện trường do sự bất đối xứng của vật liệu, chuyển động tương đối giữa Mômen từ (của spin) và điện trường tạo nên một hiệu ứng làm thay đổi hướng chuyển động của electron.

Tương tự với hiệu ứng Hall, cả cơ chế do bản chất và ngoại lai, đều dẫn tới sự tích tụ của các electron với spin ngược dấu ở hai bên rìa bề mặt vật liệu.

Từ trở Hall spin

Hiệu ứng Hall spin không cần từ trường. Tuy nhiên, nếu một từ trường đủ lớn được áp theo hướng vuông góc với hướng của spin ở trên bề mặt, spin sẽ tiến động xung quanh hướng của từ trường và hiện tượng Hall spin sẽ biến mất. Bởi vậy khi xuất hiện từ trường, sự kết hợp của hiệu ứng spin thuận và đảo dẫn tới sự thay đổi về điện trở của vật liệu. Điều này được chú ý bởi Dyakonov và Perel vào năm 1971^[9] và sau đó được nghiên cứu kĩ hơn bởi Dyakonov. Trong những năm gần đây, từ trở Hall spin được nghiên cứu thực nghiệm kĩ hơn trong vật liệu từ và vật liệu thường (kim loại nặng như Pt, Ta, Pd, nơi có tương tác spin - quỹ đạo mạnh).

Điều khiển hiệu ứng Hall spin thuận và đảo bằng phương pháp quang học

Hiệu ứng spin thuận và đảo có thể được điều khiển bằng công cụ quang học. Sự tích tụ spin tạo ra sự phân cực tròn của ánh sáng, cũng như sự phân cực Faraday (hoặc Kerr) của ánh sáng truyền qua (hoặc phản xạ). Phát hiện sự phân cực của ánh sáng giúp các nhà khoa học nhận biết được hiệu ứng Hall spin.

Gần đây, sự xuất hiện của hiện tượng thuận và đảo được phát hiện không chỉ trong chất bán dẫn^[10] mà còn trong cả kim loại ^[11][12][13].

Tham khảo

1. 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. 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. Bản gốc lưu trữ ngày 18 tháng 8 năm 2018. Truy cập ngày 2 tháng 6 năm 2018.
5. J. E. Hirsch (1999). “Spin Hall Effect” (subscription required). Phys. Rev. Lett. 83 (9): 1834. arXiv:cond-mat/9906160. Bibcode:1999PhRvL..83.1834H. doi:10.1103/PhysRevLett.83.1834.
6. Y. Kato; R. C. Myers; A. C. Gossard; D. D. Awschalom (ngày 11 tháng 11 năm 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.
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.
8. Manchon, A.; Koo, H. C.; Nitta, J.; Frolov, S. M.; Duine, R. A. (tháng 9 năm 2015). “New perspectives for Rashba spin–orbit coupling”. Nature Materials (bằng tiếng Anh). 14 (9): 871–882. arXiv:1507.02408. doi:10.1038/nmat4360. ISSN 1476-4660.
9. Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên ref23
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.