Univerzální intrinsický spinový Hallův jev

Jairo Sinova, Dimitrie Culcer, Q. Niu, N. A. Sinitsyn, T. Jungwirth, A.H. MacDonald

Popisujeme nový jev v elektronové spintronice, jenž vede ke vzniku nedisipativních spinových proudů v paramagnetických systémech se spinově orbitální interakcí. Tvrdíme, že ve dvojrozměrněm elektronovém systému s vysokou mobilitou elektronů a s podstatným Rashbovým členem popisoujícím spinově-orbitální interakci, dochází ve směru, kolmému ke směru proudění náboje, k intrinsickému spinovému proudu. [1].

V následujícím textu schematicky ilustrujeme fyziku tohoto jevu.

V translačně invariantním dvojrozměrném elektronovém plynu existují vlastní stavy elektronového hamiltoniánu mají ostrou hodnotu impulsu. V důsledku spinové a orbitální interakce na ně působí na impulsu závislé efektivní magnetické pole, jehož vlivem se spiny (červené šipky) zorientují kolmo k impulsům (zelené šipky), jak ilustruje následující obrázek.

Popis

Dvojrozměrné elektronové vlastní stavy v Rashbově systému se spinovu a orbitální interakcí jsou odlišeny pomocí impulzu (zelené šipky). Pro každou hodnotu impulsu míří odpovídající vlastní spinory do radiálních směrů (červené šipky).

Elektrické pole, jež předpokládáme ve směru x̂ (modré šipky) urychluje elektrony, jež pak driftují p-prostorem rychlostí ṗ = - e E x̂.

.

Za dobu t₀ (kratší, nežli je typický časový interval mezi srážkami) se Fermiho plocha (modrá kružnice) v elektrickém poli (vyznačeno modře modře) přemístí o  |eE_x t₀/ℏ|. Při pohybu v p prostoru jsou elektrony vystaveny efektivnímu momentu síly, který odklání spiny nahoru o p_y >0  a dolů o p_yy.

Hlavní výsledek je shrnut v následujícím obrázku, znázorňujícím hallovskou spinovou vodivost jako funkci hustoty nositelů náboje a Rashbova parametru síly vazby v limitě nulového rozmazání spektra kvazičástice.

Závislost σ_sH na dvojrozměrné hustotě elektronů n_2D a na Rashbově parametru síly vazby λ. Na barevné škále odpovídá žlutá hodnotě σ_sH = e/8π , tmavě červená hodnotě nulové. Čárkovaně je vyznačena hranice mezi univerzální oblastí (σ_sH konstantní) a mezi oblastí s lineární závislostí σ_sH. Většina současných experimentálních vzorků se nachází hluboko v univerzální oblasti. Očekáváme, že příspěvek, odpovídající intrinsickému spinovému Hallově jevu se objeví pouze tehdy, bude-li Rashbovo rozštěpení větší než rozmazání energetických hladin kvazičástic, tj. jestliže λ p_Fτ/ℏ² > 1.

Na rozdíl od universální hodnoty Hallovy vodivosti v prodlevě při kvantovém Hallově jevu v dvojrozměrném elektronovém plynu, neodolá univerzalita vodivosti při intrinsickém spinovém Hallově jevu nečistotám, kdykoliv je rozmazání v důsledku nečistot větší nežli rozštěpení hladiny v důsledku spinové a orbitální interakce.