電荷具有霍爾效應,你知道自旋也有霍爾效應嗎?

2020-12-14 中科院物理所

自旋電子學（圖片來源：Bart van Wees）

自旋電子學的到來

半導體、電晶體以及集成電路作為20世紀的重大發明，使得電子學的發展發生質變，同時也為微電子學的發展奠定了基礎。這些都是利用了電子電荷的這一特性。

隨著技術的進一步發展，電子電荷量子效應和熱效應帶來的負面影響也暴露出了很多問題，人們開始關注電子的另一個重要特徵——自旋。

自旋概念的提出要追溯到1925年，萊頓大學的George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit在發表的德文文章中提出自旋。近30多年來與自旋相關的電子學得到了極大發展並且發展了很多新的分支，如自旋電子學或磁電子學等。

從巨磁電阻（2007年諾貝爾獎）到隧道結磁電阻，再到龐磁電阻，自旋動量矩轉移以及自旋軌道力矩等，與自旋相關的物理迎來了廣闊的前景，其中自旋霍爾效應也佔有重要地位。

自旋霍爾效應的原理

自旋霍爾效應簡單說來就是在橫向電場的作用下，縱向產生自旋流的效應。這是由於自旋軌道的相互作用使電荷流和自旋流產生耦合（自旋和軌道間的耦合作用會對不同自旋的電子產生不同的偏轉作用），從而導致了自旋霍爾效應。

實驗上，當在某一具有強的自旋軌道耦合作用的材料中，縱向方向通過未極化的電流時，在橫向方向將會產生純自旋流，同時需要強調的是，縱（橫）向方向沒有淨電荷的積累。

首次預言的自旋霍爾效應實驗觀測（圖片來源：參考文獻[1]）

自旋霍爾效應的歷史

1971年6月，人們對比反常霍爾效應，在理論上預言了自旋霍爾效應。他們認為，反常霍爾效應是極化的電流被非對稱散射，同時也應該存在著非極化的電流被非對稱散射的現象存在，但這之後很長一段時間都沒有得到人們的注意。

直到1999年，科學家們引入了自旋霍爾效應這一概念，其中提到電流通過順磁金屬時橫向方向可以產生自旋霍爾電壓，相似地，當自旋流通過時，在橫向方向也會產生霍爾電壓。

同時，Hirsch提出了一種新的實驗方法來觀測自旋霍爾效應。如圖1所示，存在一種特殊結構的器件，在下層導體中通過電流，利用自旋霍爾效應產生自旋流，讓所產生的自旋流注入到相鄰的上層導體中，最後在上層導體中利用逆自旋霍爾效應產生電壓進行檢測。所謂的逆自旋霍爾效應，即自旋流轉換為電流。

在2000年，人們基於自旋積累可以通過鐵磁體探測而提出了另一個實驗的方案來觀測自旋霍爾效應。隨後，更多的理論工作者對於自旋霍爾效應的物理本質進行了更加深入的研究。

實驗上第一次觀測到自旋霍爾效應是在2004年，人們同時在半導體中分別利用磁光克爾效應和自旋發光二極體觀測到了自旋霍爾效應。Kato等利用磁光克爾效應在半導體GaAs的兩個不同邊緣觀察到了極化方向相反的自旋，Wunderlich等利用自旋發光二極體同樣在不同的界面觀察到了相反極化方向的自旋，如圖2所示。

上圖代表用磁光克爾方法觀察自旋霍爾效應，下圖代表在自旋發光二級管中觀測到的自旋霍爾效應（圖片來源：參考文獻[5]）

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參考文獻

[1] G.E. Uhlenbeck , S. Goudsmit. Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons. Naturwissenschaften 13, 953-954 (1925).

[2] J H. Christenson Possibility of orienting electron spins with current. Phys. Rev. Lett. 25, 3l6 (1970).

[3] J.E.Hirsch, Spin hall effect. Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999).

[4] S.Zhang, Spin Hall effect in the presence of spin diffusion. Phys. Rev. Lett. 85, 393 (2000).

[5] Y.K.Kato, R.C.Myers, A.C.Gossard, Observation of the spin Hall effect in semiconductors. Science 306, 1910-1913 (2004).

[6] J.Wunderlich , B.Kaestner , J.Sinova , Experimental observation of the spin-Hall effect in a two-dimensional spin-orbit coupled semiconductor system. Phys. Rev. Lett. 94, 047204 (2005).

出品 | 科普中國

製作 | 中科院物理所科學傳播協會

監製 | 中國科學院計算機網絡信息中心

編輯：可樂不加冰、Cloudiiink

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