스핀 홀 효과

3. 물리적 기원

스핀 홀 효과는 전류가 흐르는 시료의 측면에 스핀 축적이 나타나는 현상이다. 시료의 반대쪽 표면 경계에는 반대 부호의 스핀이 존재한다. 이는 자기장 내에서 전류가 흐르는 시료의 반대쪽 측면에 반대 부호의 ''전하''가 나타나는 고전적인 홀 효과와 유사하다. 고전적인 홀 효과의 경우, 경계면에서 전하 축적은 자기장으로 인해 시료 내 전하 운반체에 작용하는 로렌츠 힘에 대한 보상으로 발생한다. 그러나 스핀 홀 효과는 순전히 스핀 기반 현상으로, 자기장이 필요하지 않다.

스핀 홀 효과는 스핀-궤도 상호작용에서 기인하며, 강자성체에서 오랫동안 알려진 이상 홀 효과와 같은 계열에 속한다. 스핀 홀 효과는 크게 두 가지 메커니즘, 즉 외인성 메커니즘과 내인성 메커니즘으로 설명된다.

• 외인성 메커니즘: 전자가 재료의 불순물과 충돌할 때 스핀 방향에 따라 다른 방향으로 산란되는 현상(모트 산란)을 이용한다.
• 내인성 메커니즘: 재료 자체의 비대칭적인 구조로 인해 전자의 궤도가 휘어지는 현상을 이용한다.

3. 1. 외인성 메커니즘 (Extrinsic Mechanism)

3. 2. 내인성 메커니즘 (Intrinsic Mechanism)

4. 수학적 기술

스핀 전류는 2계 텐서 ''q''_''ij''^영어로 표현되며,^[1][2] 여기서 첫 번째 지수는 흐름의 방향을, 두 번째 지수는 흐르는 스핀 성분을 나타낸다. 따라서 ''q''_''xy''^영어는 ''x'' 방향으로 흐르는 ''y'' 성분 스핀의 흐름 밀도를 나타낸다. 또한 전하 흐름 밀도의 벡터 ''q''_''i'' (일반적인 전류 밀도 '''j'''=''e'''''q'''와 관련이 있으며, 여기서 ''e''는 기본 전하이다)를 도입한다. 스핀 전류와 전하 전류 간의 결합은 스핀-궤도 상호작용으로 인해 발생하며, 이는 단일 무차원 결합 매개변수 ''ʏ''를 도입하여 매우 간단한 방법으로 설명할 수 있다.^[9]

5. 스핀 홀 자기저항 (Spin Hall Magnetoresistance)

자기장은 스핀 홀 효과에 필요하지 않다. 그러나, 표면에서 스핀의 방향에 수직인 방향으로 충분히 강한 자기장이 가해지면, 스핀은 자기장의 방향을 중심으로 세차운동을 하며 스핀 홀 효과는 사라진다. 따라서 자기장이 존재하는 경우, 정 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀 효과의 결합된 작용은 시료 저항의 변화를 초래하며, 이는 스핀-궤도 상호작용의 2차 효과이다. 이는 1971년에 댜코노프(Dyakonov)와 페렐(Perel)에 의해 언급되었고^[2][9][24], 이후 댜코노프에 의해 더 자세히 설명되었다. 최근 몇 년 동안, 스핀 홀 자기저항은 자기성 및 비자기성 물질(Pt, Ta, Pd와 같이 스핀-궤도 상호작용이 강한 중금속) 모두에서 실험적으로 광범위하게 연구되었다.

6. 스핀 전류 교환 (Swapping Spin Currents)

스핀 전류의 변환은 스핀과 흐름 방향을 서로 바꾸는 것(스핀 및 흐름 방향의 ''교환'', ''q''_''ij'' → ''q''_''ji'')으로, 리프시츠와 디야코노프에 의해 예측되었다.^{[10] [25]} 따라서 ''y'' 방향으로 편광된 스핀이 ''x'' 방향으로 흐르는 것은 ''x'' 방향으로 편광된 스핀이 ''y'' 방향으로 흐르는 것으로 변환된다. 이 예측은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.

7. 광학적 관측

직접 및 역 스핀 홀 효과는 광학적 수단으로 관측할 수 있다. 스핀 축적은 방출된 원편광뿐만 아니라 투과(또는 반사)된 빛의 파라데이 (또는 커) 편광 회전을 유도한다. 방출된 빛의 편광을 관찰하면 스핀 홀 효과를 관찰할 수 있다.

최근에는 직접 및 역 효과가 반도체뿐만 아니라 금속에서도 입증되었다.^{[26][27][28][29]}

8. 응용

스핀 홀 효과는 전자의 스핀을 전기적으로 조작하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기적 교반 효과와 결합하면 국소적인 전도 영역에서 스핀 분극을 유발할 수 있다.^[30]

8. 1. 스핀트로닉스 소자

8. 2. 정보 저장 및 처리 기술

참조

_[1] 논문 Possibility of orientating electron spins with current http://www.jetplette[...]
_[2] 논문 Current-induced spin orientation of electrons in semiconductors
_[3] 논문 Current due to non-homogeneous spin orientation in semiconductors
_[4] 논문 Detection of a surface photocurrent due to electron optical orientation in a semiconductor http://www.jetplette[...] 2008-06-24
_[5] 논문 Spin Hall Effect
_[6] 논문 Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors http://www.sciencema[...] 2004-11-11
_[7] 논문 Experimental Observation of the Spin-Hall Effect in a Two-DimensionalSpin-Orbit Coupled Semiconductor System http://scitation.aip[...]
_[8] 논문 New perspectives for Rashba spin–orbit coupling 2015-09
_[9] 논문 Magnetoresistance due to edge spin accumulation
_[10] 논문 Swapping spin currents
_[11] 논문 Coherence Control of Hall Charge and Spin Currents
_[12] 논문 Conversion of spin current into charge current at room temperature: inverse spin-Hall effect
_[13] 논문 Direct Electronic Measurement of the Spin Hall Effect
_[14] 논문 Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect
_[15] 논문 Spin polarization control by electric stirring: proposal for a spintronic device https://scholarcommo[...]
_[16] 논문 Possibility of orientating electron spins with current http://www.jetplette[...]
_[17] 논문 Current-induced spin orientation of electrons in semiconductors
_[18] 논문 Current due to non-homogeneous spin orientation in semiconductors
_[19] 논문 Detection of a surface photocurrent due to electron optical orientation in a semiconductor http://www.jetplette[...]
_[20] 논문 Spin Hall Effect http://link.aps.org/[...]
_[21] 논문 Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors http://www.sciencema[...] 2004-11-11
_[22] 논문 Experimental Observation of the Spin-Hall Effect in a Two-DimensionalSpin-Orbit Coupled Semiconductor System http://scitation.aip[...]
_[23] 논문 New perspectives for Rashba spin–orbit coupling http://www.nature.co[...] 2015-09
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_[29] 논문 Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect http://link.aps.org/[...]
_[30] 논문 Spin polarization control by electric stirring: proposal for a spintronic device