自旋電子學(xué)（圖片來源：Bart van Wees） 

　　  

　　自旋電子學(xué)的到來 

　　半導(dǎo)體、晶體管以及集成電路作為20世紀(jì)的重大發(fā)明，使得電子學(xué)的發(fā)展發(fā)生質(zhì)變，同時(shí)也為微電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這些都是利用了電子電荷的這一特性。 

　　隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電子電荷量子效應(yīng)和熱效應(yīng)帶來的負(fù)面影響也暴露出了很多問題，人們開始關(guān)注電子的另一個(gè)重要特征——自旋。 

　　自旋概念的提出要追溯到1925年，萊頓大學(xué)的George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit在發(fā)表的德文文章中提出自旋。近30多年來與自旋相關(guān)的電子學(xué)得到了極大發(fā)展并且發(fā)展了很多新的分支，如自旋電子學(xué)或磁電子學(xué)等。 

　　從巨磁電阻（2007年諾貝爾獎(jiǎng)）到隧道結(jié)磁電阻，再到龐磁電阻，自旋動(dòng)量矩轉(zhuǎn)移以及自旋軌道力矩等，與自旋相關(guān)的物理迎來了廣闊的前景，其中自旋霍爾效應(yīng)也占有重要地位。 

　　  

　　自旋霍爾效應(yīng)的原理 

　　自旋霍爾效應(yīng)簡單說來就是在橫向電場的作用下，縱向產(chǎn)生自旋流的效應(yīng)。這是由于自旋軌道的相互作用使電荷流和自旋流產(chǎn)生耦合（自旋和軌道間的耦合作用會(huì)對(duì)不同自旋的電子產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)作用），從而導(dǎo)致了自旋霍爾效應(yīng)。 

　　實(shí)驗(yàn)上，當(dāng)在某一具有強(qiáng)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(shí)，在橫向方向?qū)?huì)產(chǎn)生純自旋流，同時(shí)需要強(qiáng)調(diào)的是，縱（橫）向方向沒有凈電荷的積累。 


首次預(yù)言的自旋霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀測（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]） 

　　  

　　自旋霍爾效應(yīng)的歷史 

　　1971年6月，人們對(duì)比反常霍爾效應(yīng)，在理論上預(yù)言了自旋霍爾效應(yīng)。他們認(rèn)為，反常霍爾效應(yīng)是極化的電流被非對(duì)稱散射，同時(shí)也應(yīng)該存在著非極化的電流被非對(duì)稱散射的現(xiàn)象存在，但這之后很長一段時(shí)間都沒有得到人們的注意。 

　　直到1999年，科學(xué)家們引入了自旋霍爾效應(yīng)這一概念，其中提到電流通過順磁金屬時(shí)橫向方向可以產(chǎn)生自旋霍爾電壓，相似地，當(dāng)自旋流通過時(shí)，在橫向方向也會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓。 

　　同時(shí)，Hirsch提出了一種新的實(shí)驗(yàn)方法來觀測自旋霍爾效應(yīng)。如圖1所示，存在一種特殊結(jié)構(gòu)的器件，在下層導(dǎo)體中通過電流，利用自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生自旋流，讓所產(chǎn)生的自旋流注入到相鄰的上層導(dǎo)體中，最后在上層導(dǎo)體中利用逆自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生電壓進(jìn)行檢測。所謂的逆自旋霍爾效應(yīng)，即自旋流轉(zhuǎn)換為電流。 

　　在2000年，人們基于自旋積累可以通過鐵磁體探測而提出了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的方案來觀測自旋霍爾效應(yīng)。隨后，更多的理論工作者對(duì)于自旋霍爾效應(yīng)的物理本質(zhì)進(jìn)行了更加深入的研究。 

　　實(shí)驗(yàn)上第一次觀測到自旋霍爾效應(yīng)是在2004年，人們同時(shí)在半導(dǎo)體中分別利用磁光克爾效應(yīng)和自旋發(fā)光二極管觀測到了自旋霍爾效應(yīng)。Kato等利用磁光克爾效應(yīng)在半導(dǎo)體GaAs的兩個(gè)不同邊緣觀察到了極化方向相反的自旋，Wunderlich等利用自旋發(fā)光二極管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(yīng)，下圖代表在自旋發(fā)光二級(jí)管中觀測到的自旋霍爾效應(yīng)（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]） 

　　  

　　參考文獻(xiàn) 

　　[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). 

你知道自旋也有霍爾效應(yīng)嗎？

圖文簡介

摘要：自旋霍爾效應(yīng)簡單說來就是在橫向電場的作用下，縱向產(chǎn)生自旋流的效應(yīng)。這是由于自旋軌道的相互作用使電荷流和自旋流產(chǎn)生耦合（自旋和軌道間的耦合作用會(huì)對(duì)不同自旋的電子產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)作用），從而導(dǎo)致了自旋霍爾效應(yīng)。