スピンホール効果

スピンホール効果（SHE）は、1971年にロシアの物理学者ミハイル・I・ディアコノフとウラジミール・I・ペレルによって予測された輸送現象です。 ^{[1] [2]}これは、電流を流すサンプルの側面にスピンが蓄積される現象で、スピン方向の符号は反対側の境界で反対になります。円筒形のワイヤでは、電流によって誘起された表面スピンがワイヤの周囲に巻き付きます。電流の方向が逆転すると、スピンの向きも逆転します。

スピンホール効果は、電流が流れるサンプルの側面にスピンが蓄積される現象である。反対側の表面境界には、反対符号のスピンが存在する。これは、磁場中の電流が流れるサンプルの反対側の側面に反対符号の電荷が現れる古典的なホール効果に類似している。古典的なホール効果の場合、境界に蓄積される電荷​​は、磁場によりサンプル内の電荷キャリアに作用するローレンツ力を補償するものである。純粋にスピンに基づく現象であるスピンホール効果には磁場は不要である。スピンホール効果は、同じくスピン軌道相互作用に起因する、強磁性体で古くから知られている異常ホール効果と同じファミリーに属している。

スピンホール効果（直接効果と逆効果）は、1971年にロシアの物理学者ミハイル・I・ディアコノフとウラジミール・I・ペレルによって予測されました。 ^{[1] [2]彼らはまた、}スピン流の概念を初めて導入しました。

1983年にアヴェルキエフとディアコノフ^[3]は、半導体の光スピン配向下での逆スピンホール効果を測定する方法を提案した。このアイデアに基づく逆スピンホール効果の最初の実験的実証は、1984年にバクンらによって行われた^[4]。

「スピンホール効果」という用語は、1999年にこの効果を再予測した ヒルシュ^{[5]によって導入されました。}

実験的には、（直接）スピンホール効果が半導体で観測されました^{[6] [7]}。これは当初の予測から30年以上経ってからのことでした。

スピンホール効果の起源となるメカニズムは2つ考えられ、電流（移動する電荷から成る）がスピン流（電荷の流れのない移動するスピンの電流）に変換される。ディアコノフとペレルが考案した元々の（外因的な）メカニズムは、スピン依存モット散乱で構成されており、反対のスピンを持つキャリアが材料内の不純物と衝突すると反対方向に拡散する。2つ目のメカニズムは、材料の固有の特性によるもので、材料の非対称性の結果として生じるスピン軌道相互作用によりキャリアの軌道が歪む。 ^[8]

電子と回転するテニスボールの古典的な類似性を使うと、その固有の効果を直感的に想像することができます。テニスボールは、回転の方向に応じて空気中の直線経路から方向を変えます。これはマグヌス効果としても知られています。固体では、物質の非対称性により空気が有効な電場に置き換えられ、磁気モーメント（スピンに関連）と電場の相対運動によって結合が生じ、電子の動きが歪められます。

標準的なホール効果と同様に、外的メカニズムと内的メカニズムの両方が、反対の横方向境界上に反対の符号のスピンの蓄積をもたらします。

スピン流は2階テンソルq _ij^{で記述されます[1] [2]}。ここで、最初のインデックスは流れの方向を示し、2番目のインデックスは流れるスピン成分を示します。したがって、q _{xy は}、スピンのy成分のx方向のフロー密度を示します。また、電荷フロー密度のベクトルq _i （通常の電流密度j = e qに関連）も導入します。ここで、eは基本電荷です。スピン流と電荷流の結合は、スピン軌道相互作用によるものです。これは、単一の無次元結合パラメータʏ を導入することで、非常に簡単な方法で記述できます^[9]。

スピンホール効果には磁場は必要ありません。しかし、表面のスピンの向きに垂直な方向に十分に強い磁場をかけると、スピンは磁場の方向の周りを歳差運動し、スピンホール効果は消えます。したがって、磁場が存在すると、正スピンホール効果と逆スピンホール効果の複合作用によりサンプル抵抗が変化し、スピン軌道相互作用の2次効果が生じます。これは、1971年にすでにDyakonovとPerelによって指摘されており^[2]、後にDyakonovによってさらに詳細に説明されました。^[9]近年、スピンホール磁気抵抗は、磁性材料と非磁性材料（スピン軌道相互作用が強いPt、Ta、Pdなどの重金属）の両方で実験的に広範に研究されています。

スピン流の変換は、スピンと流れの方向の入れ替え（スワッピング）（ q _ij → q _ji）で構成され、リフシッツとディアコノフによって予測されました。^{[10]したがって、} yに沿って偏極したスピンのx方向の流れは、 xに沿って偏極したスピンのy方向の流れに変換されます。この予測はまだ実験的に確認されていません。

直接スピンホール効果と逆スピンホール効果は光学的手段で監視できます。スピン蓄積により、放射光の円偏光と、 透過光（または反射光）のファラデー（またはカー）偏光回転が誘発されます。放射光の偏光を観察することで、スピンホール効果を観察できます。

最近では、半導体[11]だけでなく金属[12][13][14]でも直接効果と逆効果の両方の存在^が実証さ^れました。

スピンホール効果は電子スピンを電気的に操作するために使用できます。例えば、電気攪拌効果と組み合わせることで、スピンホール効果は局所的な伝導領域でスピン偏極をもたらします。^[15]

スピンホール効果の概要については、たとえば以下を参照してください。

• Dyakonov, Mikhail I. (2008). 半導体におけるスピン物理。Springer Series in Solid-State Sciences。第 157 巻。Springer。Bibcode : 2008sps..book.....D. doi :10.1007/ 978-3-540-78820-1。ISBN 978-3-540-78820-1。

• 量子スピンホール効果
• スピンネルンスト効果