Transcript Экспериментальная спиновая физика I Ю.Г. Кусраев Физико-технический Институт им. А.Ф. Иоффе РАН 194021 Санкт Петербург.

Экспериментальная спиновая
физика I
Ю.Г. Кусраев
Физико-технический Институт им. А.Ф.
Иоффе РАН
194021 Санкт Петербург
«Наука должна быть самым возвышенным воплощением
Отечества, ибо из всех народов первым всегда будет тот,
кто опередит другие в области мысли и умственной
деятельности».
Луи Пастер – французский микробиолог и химик, член Французской
академии, один из основоположников микробиологии и иммунологии..
Физика – это то, чем физики занимаются в
свободное время вечером (Jay Orear).
«Научным работником является не тот человек, который
занимается научной работой, а тот, кто не может ею не
заниматься».
Из высказываний
Академика Л.В. Киренского.
Содержание
Спиновые явления
 Введение, история
 Генерация и детектирование спина . Экспериментальная техника.
 Спин-орбитальное взаимодействие и оптическая ориентация
спинов, оптическое выстраивание.
 Спиновая релаксация
 Сверхтонкое взаимодействие с ядрами решетки
 Спиновый транспорт: спиновая инжекция, спиновый эффект
Холла




Спинтроника
Металическая спинтроника.
Ферромагнитные полупроводники
Гибриды полупроводник/ферромагнетик
Полупроводниковая спинтроника.
Spin-dependent phenomena
• Spin-dependent processes in physics: atomic, solid
state, astrophysics, optics.
• Spintronics, Spin Electronics, Magnetoelectronics the use of electrons' spins in information circuits:
spin transistor, spin filters, spin injection, etc.
• Chemistry, biology and life.
Different manifestations of spin-dependent phenomena
• Spin Chemistry
Many chemical reactions are controlled by the spin orientation. The
elementary steps of making and breaking bonds (or electron transfers)
must preserve spin angular momentum (Wigner’s Rules).
• Mechanics.
The effect of a weak magnetic field on the mobility of
dislocations and on the rate of plastic deformation has been
observed. The results are interpreted in terms of spin-dependent
recombination of dislocations at paramagnetic centers.
• Physical Origin of Homochirality of Life
Homochirality of life, the ability of molecules to discriminate between
left- and right-handed products. Possibly, spin phenomena underlie the
homochirality of life and have to shed light
to physical origin of homochirality.
Гипотеза спина
• В 1925 году голландские физики Сэмюэл Гаудсмит и Джордж
Уленбек выдвинули гипотезу спина и ввели наглядное
представление о вращении электрона вокруг собственной оси.
Сэмюэл Гаудсмит
Джордж Уленбек
G. Uhlenbeck, H. Kramers, S. Goudsmit (1928)
Гипотеза спина
Несколькими годами раньше эту идею пытались озвучить Артур
Комптон и Ральф Крониг, однако не встретив сочувствия
авторитетов того времени (В. Паули, Х. Крамерс, В. Гейзенберг)
идея была отвергнута.
Артур Комптон
Ральф Крониг
Спин
Гипотеза спина объяснила ряд ключевых
экспериментальных фактов:
1. Дублетная структура спектральных линий, названная
тонкой структурой.
2. Эксперименты Штерна-Герлаха (1922), по –
расщепление пучка атомов серебра после прохождения
через неоднородное магнитное поле на два пучка.
3. Расщепление спектральных линий в магнитном поле –
эффект Зеемана (аномальный).
Оптическая ориентация в атомах и
полупроводниках.
 Открытие оптической ориентации спинов в атомах –
1924 г Р. Вуд и Ханле.
 Общие принципы явления были установлены в конце
40-х начале 50-х – А. Кастлер.
 Обнаружение оптической ориентации в полупроводниках G. Lampel (1968), теория – М.И. Дьяконов, В.И. Перель (1971).
Оптическая ориентация в атомах
Общие принципы явления были установлены в конце 40-х
начале 50-х - А. Кастлер
Нобелевская премия по физике 1966 г. «за открытие и разработку
оптических методов исследования резонансов Герца в атомах».
Обнаружение оптической ориентации в полупроводниках G. Lampel (1968), Парсонс (1970), Б.П. Захарченя с сотр. (1971),
теория – М.И. Дьяконов, В.И. Перель (1971).
G. Lampel
Б.П. Захарченя
М.И. Дьяконов
В.И. Перель
Оптическая ориентация, ред. Ф. Майер
и Б. Захарченя, Наука, 1982
Optical Orientation, (Eds.: F. Meier and B. P. Zakharchenya),
Elsevier, Amsterdam, 1984, Vol. 8.
Spin Physics in Semiconductors, Ed. Mikhail I. Dyakonov,
Springer, SS in SSS 157, 2008
Спиновые взаимодействия


Спин-орбитальное взаимодействие
Сверхтонкое (контактное) взаимодействие
электрон – ядра решетки

Обменное взаимодействие
электронно-дырочное
электрон - магнитная примесь (РМП)
примесь - примесь (РМП)
Спин-орбитальное взаимодействие
Наблюдатель движущийся со скоростью v в электрическом поле E
видит магнитное поле B = (v/c)х E, где c – скорость света. Магнитное
поле B действует на спин электрона – в этом состоит физическая
природа спин-орбитального взаимодействия.
Спин-орбитальное взаимодействие играет центральную роль в
спиновых явлениях и спинтронике:
 Оптическая ориентация спинов (электрическое поле световой
волны напрямую не действует на спины)
 Спиновая релаксация
 Спин-зависимый транспорт (спин-Холл эффект, гигантсокое
магнитосопротивление и т.д.).
Обнаружение оптической ориентации в
полупроводниках
Si29
Iz 
1 G  G  s
f
2 G  G    s
Оптическая ориентация спинов в GaAs
Зона проводимости
+1/2
-1/2
W1 / 2; 1 / 2 / W3 / 2; 1 / 2  1 / 3
Pe  ( N   N  ) /( N   N  )  0.5
-
1/3
-3/2
Ph  3 / 2
+
1
PC 
I  I
 0.25
I  I
–1/2
+1/2
+3/2
Валентная зона
Правила отбора устанавливают связь между поляризацией
возбуждающего света, спинами носителей и поляризацией
излучения.
High-sensitive polarization analyzer
Continuous wave
Counter 1
Monochro
mator
PMT
Gate
Counter
2

Computer
4/l
LP
l/4
-4/l
l/4
Sample
Sensitivity better than 0.01%
PL Intensity
PEM
PL circular polarization
time
degree
I I
  
I I
time
to Counter 1
V.D. Kul’kov and V.K. Kalevich
Inst. Exp. Tech. 24, 1265 (1981)
to Counter 2
Time-resolved photoluminescencee
streak camera
Pulsed
laser
PL(t)
Hübner et al. „Spin Physics
in Semiconductors“, ch.5
Детектирование спиновой динамики
Pump - Probe Faraday rotation (накачка – зондирование)
Pulsed laser: duration 1 ps, repetition
rate 75 MHz (13 ns between pulses)
M
kpump
Dt
kprobe
B= 3T
M(t)
Sample
prepare spin polarization
qF  exp(
qF (mrad)
B
qF  M
Dt
) cos(Dt )
T2*
Delay time, Dt (ps)
Чувствительность метода – 1 rad микрорадиан или ~ 10 B/m3 (намагниченность
ферри-и ферромагнетиков ~ 100 -1000 G соответствует 1010 -1011 спинов 1 m3).
Time-resolved faraday rotation (pump-probe)
Experiment
QDs
x
+- excitation:
C=(I+I)/(I+I)
B
y
 - excitation:
L=(IXIY)/(IX+IY)
L`=(IX`IY`)/(IX`+IY`)
ħω0
 или 
ħωPL
z
Bk – Voigt
B k - Faraday
Оптическая ориентация и эффект Ханле
z
ρ=Sz
excitation
S0
luminescence
H
GaAs
Hy
z
H y
x
+
S(t)
S
Sz=S0exp(-t/s)cost
x

S z ( H )  S z (t )  S0  W (t ) cost  exp(t /  s )dt
0
S z ( H ) = S0
W (t )   1 exp(t / )

1
gH

S x ( H ) = S0
TS
1
 1 + ( H / DH 1 / 2 ) 2
H / DH 1 / 2
 1 + ( H / DH 1/ 2 ) 2
TS
DH1/ 2   / gTS , TS   S /(   S )
Квантовомеханическая картина ларморовой прецессии
b)
a)
Hx
E2
z
+
S
–1/2
+1/2
Hx
E1
E+

dS  
a)
 S
dt
 1

  gH

1  1
1 
    
2 
2 2
1
i
1
i
 (t ) ~  exp( E1t )   exp( E2t )
2

2

  E2  E1
b)
 
Time-resolved photoluminescence

  

dS 
S S  S0
  S  
,
dt
s

1
  gH

t
S z (t ) = S 0 exp( ) cost
TS
t
S y (t ) = S 0 exp( ) sin t
TS
TS1   1  S1
Эффект Ханле
-60
Circular Polarization, %
Hanle QW111297c, Trions, Model: Lorentz
T=2K
10
8
6
4
2
0
-60
-40
-20
0
20
Magnetic field, G
40
60
AIX817 T=10 K; exc HeNe 632.8 nm, 5 mW; +/-; det +
Circular polarization (%)
-40
Da
Mo
Ch
y0
xc
w
A
-30
-20
-10
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Model: Lorentz
Voigt B1/2=9.6 ±0.3 mT
4
3
2
Квантовая яма CdTe/CdMgTe, L=40A,
T=2K/ трионная люминесценция
10
lex=3620, ldet=3633, T=2K, P=1mW, Voight
Model: Lorentz
w
1.90528
A
27.54539
±0.02397
±0.40462
8
6
4
2
1
0
0
-20
-15
-10
-5
0
5
Magnetic field (mT)
10
1,0
B, Tesla
Арсенид галлия (объемный)
5
-50
Circular polarization (%)
Circular Polarization,%
12
15
20
Квантовые точки InP/GaInP
-4
-2
0
2
Magnetic field, kOe
4
Магнитная квантовая яма
CdMnTe/CdMgTe, L=40A, T=2K
Эффект Ханле: влияние диффузии и дрейфа

S z ( x, H y ) = 
0
2
S0
e ( x vd t ) / 4 Dt e t / s cost dt
4Dt
Эффект Ханле: влияние диффузии и дрейфа
Figure 3. (a) Conventional Hanle effect (Sz versus B y) measured in three n-GaAs epilayers at 10 K. The
probe beam is focused to a 4μm spot, and the diameter of the (defocused) pump spot, d, is much larger
than the spin diffusion length Ls. In this limit, B1/2 ~/ −1 s . (b) Hanle effect data in the ne = 1×1016 cm−3
epilayer as d is reduced. When d < Ls, B1/2 increases dramatically as the probe now measures only a
subset of the spin ensemble (a ‘local Hanle’ effect).
Спиновая релаксация
Спиновая релаксация (”spin decoherence”) - исчезновение
неравновесного спина. Спиновую релаксацию можно
интерпретировать как результат действия флуктуирующих во
времени (эффективных) магнитных полей Hc:  ~ Hc, c характерное время изменения поля.
Происхождение флуктуирующих полей
 спин-орбитальное взаимодействие (механизм Дьяконова 

Переля)
Hˆ    (k )
SO
обменное взаимодействие (механизм
Бира-Аронова
Пикуса)
Hˆ  A(S  J )

exch

сверхтонкое (контактное) взаимодействие.


 
ˆ
H cont   Ai (S I i ) (r  Ri )  B ge SBN
i
Спиновая релаксация в флуктуирующем
поле


S (t )  S (0) exp(t /  s )
S(0)
a ) D   f  c  1
 2  N (D ) 2 ~ 1
 s1 ~  2f  c
b)  f  c  1,  s   c
М.И. Дьяконов, В.И. Перель. ФТТ 13, 12, 3581 (1971).
М.И. Дьяконов, В.Ю. Качоровский. ФТП 20, 1, 178 (1986).
Спиновая релаксация в n GaAs
n-type
Три механизма спиновой релаксации:



(а) сверхтонкое взаимодействие с
ядрами решетки,
(б) анизотропное обменное
взаимодействие донорных
электронов (Кавокин)
(в) релаксация Дьяконова-Переля.
p-type
R. I. Dzhioev, K. V. Kavokin, V. L. Korenev,
et al., Phys. Rev. B 65, 205309 (2002)
Механизм Бира-Аронова-Пикуса
проявляется только в р-GaAs - <1 ns.
Релаксация на парамагнитной
примеси, РМП: 1-100 ps в
зависимости от N.
 s1 ~  2f  c
s<1 ns
Оптическое выстраивание экситонов
X1
-1
Линейно поляризованный свет Ex создает
экситоны с дипольным моментом dx
+1
X  (  1  1 ) / 2
- Ex +

когерентная суперпозиция состояний Jz = ±1.
0
Оптическое выстраивание представляет чисто экситонный
эффект – корреляция между спинами электрона и дырки.
Ex
+
(X+iY) + (X – iY) ~ X
-
Г.Л Бир, Г.Е. Пикус, Письма в ЖЭТФ, 15, 730 (1972)
Оптическое выстраивание экситонов
Plin
GaSe
Pcirc
CdS
PL
A. Bonnot, R. Planel, and
C. Benoit a la Guillaume,
Phys. Rev. B 9, 690 (1974).
E.Л. Ивченко, Г.Е. Пикус, Б.С. Разбирин,
А.Н. Старухин. ЖЭТФ 72, 2230 (1977)
Anisotropic exchange splitting
y
QD
X  (  1  1 ) / 2
x
Y  (  1   1 ) / 2i
Splitting (r.u)
2
1
-2
0
F6
If τc<<  cw-luminescence
will turn
###
out to be non-polarized.
X
X
0
-1
c 
F22 /  x
JZ=-1
ħX~100 eV, c6 ps<<
Y
JZ=+1
1
2
Magnetic field (B/B0)
B0  x / gex , x  0.3 meV
3
Linear dipoles X and Y are gradually
turned toward the states Jz=1
Single Quantum Dots: CdSe/ZnSe
QD
a)  X  0
Y||[1-10]
x||[110]
b)  X  0
J=1
ћΩX
Intensity (a.u.)
Exciton X0, S=1
x
y
CdSe/ZnSe
B=0
2.394
X
Y
X II [110]
x
Y
0
2.395
PL Energy (eV)
I. Akimov et al. (2002)
2.396
X
Y
Optical orientation and alignment of
excitons in CdSe/ZnSe QDs
20
(a) eII[100]
PL
Linear polarization (%)
10
PL'
0
30 (b) eII[110]
PL
20
10
PL'
0
-6
-4
-2
0
2
4
Magnetic field (Tesla)
6
Низкоразмерные структуры


Двумерные системы, квантовые ямы –
управление спин орбитальным
взаимодействием
Квантовые точки – долгие времена спиновой
релаксации
Двумерные структуры
QW made of SC without inversion center
BIA
Nonsymmetris QW:
SIA
E
[001]
 =(L)
G. Dresselhaus,
Phys. Rev. 100, 580 (1955).
6 November 2015
= (E)
Y.A. Bychkov and E.I. Rashba,
J. Phys. C 17, 6039 (1984).
Time-resolved photoluminescence
Circular polarization oscillation under transverse magnetic field. Non-resonant circulary polarized
excitation. The polarization decay without magnetic field is also shown. es= 200 ps, geff = 0.49.
Time-resolved photoluminescence
(110) GaAs Quantum Wells
Degree of polarization Pσ of the time-resolved photoluminescence for magnetic fields of 0 T (solid line),
0.45 T (dashed line), and 1 T (dotted line) measured at 200 K. Inset: Dependence of measured s on
magnetic field.
Anomalous Spin Dephasing in (110) GaAs Quantum Wells: Anisotropy and Intersubband
Effects, S. Döhrmann, D. Hägele, J. Rudolph, M. Bichler, D. Schuh, and M. Oestreich
Phys. Rev. Lett. 93, 147405 (2004)
Hanle efect in the presence of electric current

  
ˆ
H    ( H eff (k )  H )
2
Heff
1


H  H eff ,

 
H eff  z  J
z
J
H
x
y
+
Эффект Ханле в присутствии электрического тока (кружки) и без тока
(крестики). Электрический ток индуцирует дрейф электронов и соответственно
ненулевое среднее значение Heff vd. В КЯ из GaAs, L=10 nm, m=0.066m0, ~104,
E=10 V/cm, Heff=1.1x10-2 Е cm2/Vs~1 kOe.
В.К. Калевич, В.Л. Коренев, Письма в ЖЭТФ, 52, 859 (1990)
6 November 2015
2DEG in GaAs/AlGaAs QW
Theory
Spin polarization (arb. units)
Experiment
Н.С. Аверкиев, М.М. Глазов, ФТП 42, 973(2008)
(b) Spin evolution in the weak-scattering regime for five samples with different
quantum well width (L) and electron concentration (NS). From top to bottom the p =
13 ps, 13 ps, 13 ps, 10 ps, and 27 ps. Inset: Dresselhaus coefficient γ (2.6) vs. electron
confinement energy E1e [39]
Circular Polarization (%)
Luminescence and polarization spectra of
CdSe/ZnSe quantum dots
PL, Res. excit.
Pol. Res. excit.
PL, Nonres. ex.
Laser
80
CdSe/ZnSe QDs
60
40
20
0
5000
5100
5200
Wavelength (A)
5300
5400
Эффект Ханле в наклонном магнитном
поле
50
o
q=60
()  (0) 2 cos2 q
Circular polarization (%)
o
-70
DB1/ 2   / B gTS  const
o
70
40
o
80
z q
B
TS=S/(S+)=240 ps
o
30
85
x
o
90
20
-300
-200
y
+
-100
0
100
Magnetic field (mT)
200
300
Эффект Ханле в наклонном магнитном
поле: анизотропный g-фактор :
DB1/ 2   / TS g x2 sin 2 q  g z2 cos 2 q
60
Polarization (%)
50
40
80
30
20
10
40
-20 -10 0 10 20 30
Angle, q-90 (deg)
Hanle halfwidth (mT)
120
g z2 cos2 q
()  (0) 2 2
g x sin q  g z2 cos2 q
gz =2.5, gx =0.38±0.02,
TSh=S/(S+)=240 ps
gz/gx=6.58±0.04.
The origin of heavy hole in-plane g-factor
How the magnetic field affects the state of a hole in the valence band?
The ground state of a hole in QD corresponds to almost pure heavy hole
with Jz =3/2. The violation of QD ideal D2d symmetry provokes mixing
with light hole states Jz = ±1/2 :
 hh   3 / 2  (  / Dlh )  1/ 2
This mixing induces heavy hole g-factor in the structure plane:


hh
 

JB hh 
 gx
D lh
100
s > 1 ns
2000
GaAs0.98N0.02
1500
10
1000
1
T = 300 K
500
0
100
200
Время (пс)
300
0,1
Поляризация электронов (%)
Интенсивность ФЛ
Спиновая поляризация электронов при
комнатной температуре
В.К. Калевич, Е.Л. Ивченко, М.М. Афанасьев и др., Письма в ЖЭТФ 82, 509 (2005).
Spin-dependent recombination in GaAsN
PL intensity (rel. units)
continuous wave pumping
8
1 - circ , B=0
2 - lin , B=0
GaAs
0.1m
6
1
GaAsN
T=300K
4
W =150 mW
2
0
2
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
Energy (eV)
GaAs0.98N0.02
Kalevich, Ivchenko, Afanasyev, et al, JETP Lett.
82, 455 (2005)
Круговая поляризация ФЛ в GaAsN
непрерывная накачка
PL circular polarization

(%)
P = 2 ~ 60% > Ptheor=50%
Спиновая поляризация
электронов
30
n+n
P = n +n
+

20
10
[N]=2%
0
0
50
Степень круговой
поляризации ФЛ
T=300K
100
150
200
250
Excitation power (mW)
Kalevich, Ikezawa, Shiryaev, Egorov, Ustinov, and Masumoto,
Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan, Okayama,
Japan, 20-23 September 2003, v.58, iss.2, part 4, p.574.
Egorov, Kalevich, Afanasiev, Shiryaev, Ustinov,
Ikezawa and Masumoto, J. Appl. Phys. 98, 13539 (2005)
=
J  J –
J + J –
Спиновая поляризация электронов при T=300K
свободные
электроны
Pi =0.5
CB
ФЛ
ФЛ
VB
парамагнитные
центры
свободные
дырки
Схема спин-зависимой рекомбинации и динамической поляризации электронов
1)
глубокие центры парамагнитные и неполяризованные без света
2)
рекомбинация свободных электронов с центрами доминирует
3)
захват электрона с параллельным спином запрещен
4)
дырки неполяризованы и их захват не зависит от спина
5)
 sc   s
В.К. Калевич, Е.Л. Ивченко, М.М. Афанасьев и др., Письма в ЖЭТФ 82, 509 (2005).
Нелинейная сильно-связанная спиновая система
свободных и локализованных электронов
 - excitation
s
free
electrons
luminescence
SDR
 sc
bound
electrons
Спиновая стабильность связанной системы спин-поляризованных
свободных и локализованных электронов контролируется длинным
временем спиновой релаксации связанных электронов
 sc ~ 1 ns   s ~ 100ps
Сверхтонкое (контактное) взаимодействие
 Динамическая поляризация ядер или эффект
Оверхаузера. Оптическое охлаждение.
Эффект Оверхаузера
 
ˆ
СТВ H  A( SE  I N ) допускает флип-флоп переходы с изменением
проекции спина ядра D  1 : (сохраняет полный спин)
W , 1 N  ne  W 1, N  1ne

В ТД равновесии, пренебрегая
расщеплением ядер:
n
  B gB 
 exp 

n
T 

e

e

W , 1
W 1,
 B gB
  B gB 
 exp

 T 
Оверхаузер, 1953
N  1
N

W , 1
W 1,
 1

n n
e

  gB 
 exp B 
 T 
PN 

B

N   N  1
e

  I ,..., I
I
E
N

 B gB
 N 

I

 I
T
Оптическая ориентация и детектирование
ядерной поляризации

Первое оптическое детектирование ЯМР:
Екимов, Сафаров

Охлаждение ядерной спиновой системы
Эсперимент: Флейшер, Джиоев, Калевич, Захарченя
Теория: Дьяконов, Перель
В основе эффектов ядерной поляризации лежит СТВ
 
Hˆ  A(SE  I N )
Оптическая регистрация ЯМР
Зависимость степени циркулярной поляризации ФЛ
от частоты РЧ поля в кристалле GaAlAs.
В.И. Сафаров
А. Екимов, В. Сафаров, Proc. 11th ISPS, Warsaw, p.1951 (1972)
Dynamic Nuclear Polarization and Nuclear Fields
100 Å-thick GaAs/Al0.3Ga0.7As (001) quantum well
1) alternative circular polarization
of the exciting light. (34 kHz) and
2) сonstant circular polarization
B.P. Zakharchenya, V.K. Kalevich, V.D. Kulkov, V.G. Fleisher, Fiz. Tverd. Tela 23, 1387
(1981); Sov. Phys. Solid State 23, 810 (1981)
Нелинейные свойства ЭЯС
quantum well GaAs/AlGaAs (001), L=80Å
V.K. Kalevich, V.L. Korenev, Pis’ma Z. Eksp. Teor. Fiz. 56, 257 (1992); JETP Lett. 56, 253 (1992)
Dynamic Nuclear Polarization and Nuclear Fields
Spin Physics, p.329 (2008)
Oscillations of the Kerr rotation under excitation of a GaAs/AlGaAs quantum well
(QW) by circularly polarized light pulses in an oblique magnetic field
A. Malinowski, R.T. Harley, Solid State Commun. 114, 419 (2000)
Cooling of the Nuclear Spin System
 
1
3I
f
(B  S )


kBq N N S ( S  1) B2  BL2
  
 1
B
I ( I  1) f ( B  S ) B
I  I ( I  1)

3
kBq N
S ( S  1) B2  BL2
Optical cooling of the nuclear spin system by oriented electrons. Magnetic field dependences of reciprocal
spin-temperature (1) and mean spin of nuclei
Оптическое охлаждение ядерной спиновой системы
1
2
Hz~=0
3
Р.И. Джиоев и др. Письма в ЖЭТФ, 23, 22 (1976)
Оптическое охлаждение ядерной спиновой системы
(оптический аналог эффекта Перселла и Паунда)
69Ga, 71Ga, 75As
GaAs
B=0.1G

1
2 I BS

0  I B 2  BL2
BN  aPN  a
gB
 B  40G
k
B  0.1G,   106 K
(b) Эффект Ханле в отсутствие охлаждения В1/2~20 Гс.
(а) Падение поляризации (t=0) в слабом магнитном поле (B = 0.1 Гс) сразу
после охлаждения. Медленное восстановление поляризации излучения
связано с ростом ядерной спиновой температуры.
В.К. Калевич и др. Письма в ЖЭТФ (1982)
Спин-зависимый (спиновый)
транспорт
Спин-орбитальное взаимодействие связывает спиновые свойства с
транспортными (Аномальный эффект Холла, спиновый эффект
Холла, гигантсокое магнитосопротивление и т.д.).



Аномальный эффект Холла: Karplus R and Luttinger J M,
Phys. Rev. 95 1154 (1954), эксперимент - J. Chazalviel and
I.Solomon, Phys. Rev. Lett 29 1676-1679 (1972)
Спиновый эффект Холла: предсказание - M.I. Dyakonov
and V.I. Perel, Письма в ЖЭТФ, 13, 657 (1971), Phys. Lett.,
(1971)
Спиновый эффект Холла: экспериментальное
обнаружение - Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D.
Awschalom, Science 306, 1910 (2004). (Inverse Spin Hall Effect
j ~ rot P ) - А.А. Бакун и др., Письма в ЖЭТФ, 40, 464 (1984).
Спиновая инжекция
Идея создания нераавновесной спиновой поляризации в
полупроводнике при пропускании тока через ферромагнитный
контакт предложена Ароновым и Пикусом.
  N ( EF )
кобальт
Cпиновая ориентация в немагнитном материале существует на длине
диффузии спина Ls= (Dsf)1/2.
А.Г. Аронов, Г.Е. Пикус, 1976, ФТП, 10, 1177
1. R  R – ток в ферромагнетиках является спин-поляризованным.
PF  ( I  I ) /( I  I )
2. Электроны с магнитными моментами, направленными параллельно и
антипараллельно намагниченности ферромагнетика, в процессе рассеяния
не смешиваются (tr<< sf).
Mott, N. F., 1936, Proc. R. Soc. London, Ser. A 153, 699–717.
Спин-зависимый транспорт
Можно ли создать спиновую поляризацию в полупроводнике
без ферромагнетизма и магнитного поля?
Как сделать транспорт спин-зависимым?
Спин-орбитальное взаимодействие связывает
спиновые свойства с транспортными
Спиновый эффект Холла
qij   Ei Pj  D
Pj
xi
  ijk ( nEk  
n
)
xk
Электрический ток приводит к накоплению противоположно направленных
спинов на противоположных гранях образца (Спиновый эффект Холла)
J. E. Hirsch, Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999).
Спиновый эффект Холла
Асимметрия рассеяния электронов: направление рассеяния
электрона зависит от направления спина.
B
(а)
e
Е
e
Е
v
-
B = (v/c)х E,
Рассеивающий центр
v
(б)
I
B
I
N.F. Mott, Proc. R. Soc. London A 124, 425 (1929).
Моттовское рассеяние – спин-Холл эффект
Спиновый эффект Холла
GaAs, T = 30 K
SHE=nijkEk
Typical measurement of KR as a function of
Bext for x = –35 m (red circles) and x = 35 m
(blue circles) for E = 10 mV mm–1.
Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D. Awschalom, Science 306, 1910 (2004).
33-Year Hunt for Proof of Spin Current Now Over - Spin Hall Effect оbserved !
Моттовское рассеяние
Невилл Франсис Мотт (Sir Nevill Francis Mott) — лауреат Нобелевской
премии по физике в 1977 г., совместно с Филиппом Андерсоном и
Джоном ван Флеком, «за фундаментальные теоретические
исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных
систем».
N.F. Mott, Proc. R. Soc. London A 124, 425 (1929). Моттовское
рассеяние, моттовский детектор , спин-Холл эффект
Аномальный эффект Холла
Одним из следствий асимметрии рассеяния является аномальный
эффект Холла, возникающий часто в ферромагнитных материалах:

 


j / e  nE  Dn   nE  P   rotP

j AHE
j AHE  0
up
up
(b)
Sbulk  0

E
down
(a)
Sbulk  0
InSb
J. Chazalviel and I.Solomon Phys. Rev. Lett. 29, 1676 (1972)
Спинтроника
Предназначение спинтроники состоит в использовании
фундаментальных знаний в области спин-зависимых явлений для
разработки (создания) новых устройств хранения и обработки
информации.




Металлическая спинтроника
Гибриды ферромагнетик/полупроводник
Ферромагнитные полупроводники
Чисто полупроводниковая спинтроника –
спинтроника без магнетизма
Эффект гигантского магнитосопротивления
Albert Fert
Peter Grünberg
Нобелевская премия по физике 2007 года присуждена
Петеру Грюнбергу (Peter Grunberg) и Альберту Ферту (Albert
Fert) за открытие гигантского магнитосопротивления
НA. Fert et al. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices//
Phys. Rev. Lett. (1988). 61, 2472–2475.
G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, W. Zinn. Enhanced magnetoresistance in
layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange, Phys.
Rev. B (1989). 39, 4828–4830.
Считывающие головки для карманных
устройств
Устройство для считывания и записи информации:
магниторезистивный датчик 3, магнитная дорожка 1, индуктивная
катушку 5 для записи информации.
Спин-поляризованный транспорт в
ферромагнетиках
При достаточно низких температурах, когда рассеяние на магнонах
становится исчезающее мало, электроны с магнитными моментами,
направленными параллельно и антипараллельно намагниченности
ферромагнетика, в процессе рассеяния не смешиваются.
1. N (EF)  N (EF) → ток в ферромагнетиках является спинполяризованным.
2. R  R , R= RR/(R+R)
Плотности состояний N(E ) в меди и
кобальте от энергии 3d-электронов.
медь
кобальт
Mott, N. F., 1936a, ‘‘The electrical conductivity of transition metals,’’ Proc. R.
Soc. London, Ser. A 153, 699–717.
Mott, N. F., 1936b, ‘‘The resistance and thermoelectric properties of the transition
metals,’’ Proc. R. Soc. London, Ser. A 156, 368–382.
Гигантское магнитосопротивление
магнитных мультислоев
Плотности состояний N(E ) в меди и кобальте от
энергии 3d-электронов. EF – уровень Ферми.
Зависимость осопротивления R от магнитного
поля для магнитных Fe/Cr мультислоев при 4,2 К.
Baibich M.N. et al. Phys. Rev. Lett. 1988, 61, 2472.
Спиновый транзистор, 1990 год
затвор
исток
сток
H SIA   ( x k y   y k x )
  
 
   [n  k ]    
Главное преимущество: токи утечки и энергия переключения можно сделать
существенно меньше, чем в существующих и будущих LSTP CMOS
транзисторах, включая планируемые в 2018 году. [ International Technology
Roadmap for Semiconductors]
S. Datta and B. Das, ”Electronic analog of the electro-optic modulator”, Appl. Phys.
Lett. 56, 665 (1990).
Переключение намагниченности током
В 1996, Слончевски и Берже (John Slonczewski and Luc Berger)
предсказали возможность переключения намагниченности спин
поляризованным током. Для наблюдения эффекта, однако, требуется
высокая плотность тока Js~108 A/cm2 , чтобы создать достаточный для
преодоления затухания крутильный момент.

dm

 
  m, H  
dt
m

  
P  m, m, ns  ,

Легкая ось
Js
P
m
P~[m,[m,Js ] –
spin torque
1. Slonczewski, J. C. J. Magn. Magn. Mat. 159, L1–L7 (1996).
2. Berger, L. Phys. Rev. B 54, 9353–9358 (1996).
3. Myers E.B., et al., Science 285, 867–870 (1999).
4. Tsoi, M. et al. Phys. Rev. Lett. 80, 4281–4284 (1998).

 
  
m, m, H


ns  J s

Переключение намагниченности
током

dm

 
  m, H  
dt
m

  
P  m, m, ns  ,


 
  
m, m, H



ns  J s
Таблетка из двух ферромагнетиков CoFe.
M1-закреплен. Обычно d<100 nm
Coherent control of nanomagnet dynamics via ultrafast spin torque pulses, Samir
Garzon, et al. Phys. Rev. B 78, 180401 (2008)
Ферромагнитные полупроводники и
Гибриды ферромагнетик/полупроводник
Интеграция магнетизма и полупроводниковой электроники –
компьютер на одном чипе
1. Ферромагнитные полупроводники
(+) Универсальный объект с хорошими электрическими и
магнитными характеристиками
(-) Отсутствие таковых
2. Гибриды ферромагнетик/полупроводник
(+) Свобода выбора, большое разнообразие ФМ и ПП
(- ) Технологические сложности - плохой интерфейс, короткое
время TS ПП при T=300 K
Электрическое управление
коэрцитивной силой в InMnAs
Изменения петли гистерезиса в РМП InMnAs
из-за пьезомагнитоэлектрического эффекта
Chiba et al, Science 301 943 (2003):
InMnAs without inversion center and may possess MPE
Спиновая релаксация в ядерном поле
H cont

i    
16

 B  (SI i ) (r  Ri )   B g e SBN
3
Ii
i
Hcont – контактное взаимодействие электрона с ядрами решетки,
S и Ii – спины электрона i–го ядра

i   
v0
16
BN 
 B  I i (r  Ri ) 
3
B
i Ii

 Ai  ( Ri ) I i
2
i
N
S
BN~Ii
16B i
2
Ai 
uc ( Ri )
3I i
Для КТ типа GaAs, n~105 ядер, TD~1нс
I. A. Merkulov et al, Phys. Rev. B 65, 205309 (2002);
Ii
Прецессия электронного спина в
случайном ядерном поле
S0
BN
BN
S0
BN
F1
The nuclear ensemble avaraged electron spin <Sz>
Avaraged electron spin <Sz>
S0
1,0
(S0/3)*(1+2*(1-2*(x/Td)^2)*exp(-(x/Td)
1/2
Td=h/2gDB=(3/2) h/2s ensemble de
0,5
0,0
0
1
2
Time (t/TD)
3
2
2









S0 
t
t 

S (t )  1  21  2   exp    
3

  TD   
 TD  


TD=ħ/BgeDB – время дефазировки ансамбля,
DB – разброс ядерных полей
для КТ типа GaAs, n~105 ядер, TD~1нс
4
Спиновая релаксация в ядерном
поле: эксперимент
Непрерывное возбуждение
Импульсное возбуждение
InAs/GaAs
для КТ InAs/GaAs, n~6*1045 ядер, A50eV
TD~1ns, DB =ħ/BgeTD 30 mT
P.-F. Braun et al, PRL 94, 116601 (2005)
Зависимость спиновой релаксации от
внешнего магнитного поля
InAs/GaAs QDs
1
1
Dg B B


T2 ( B) T2 (0)
2
Optically programmable electron spin
memory using semiconductor QDs
InGaAs/AlGaAs QD
Resonant excitation
Electroluminescence
T=10 K
Miro Kroutvar, et al, NATURE, 432, p.81, 2004
Walter Schottky Institut, Garching, Germany
Electron spin dynamics in InGaAs/AlGaAs
QDs
T1 B-5 one phonon
processes dominates
I+(t)=I+(0)*exp(-t/T1)
Extrapolating the observed T1(B) dependency to lower fields would
indicate T1~ 80 ms at,3 T, reaching ~1 s at B < 1.6 T.