[科普中國(guó)]-自旋流

自旋流即設(shè)自旋朝上的電子和自旋朝下的電子以相同的平均速度反向運(yùn)動(dòng)，兩種流的絕對(duì)值相等， 方向相反，因而沒有凈電荷的流動(dòng), ，只有自旋的流動(dòng)。

半導(dǎo)體中純自旋流的探測(cè)自旋電子學(xué)是利用電子的自旋而非電子的電荷作為信息載體而發(fā)展的物理和電子器件研究的分支領(lǐng)域。半導(dǎo)體中自旋流的測(cè)量在自旋電子學(xué)中起關(guān)鍵作用。從自旋流的基本性質(zhì)出發(fā)，簡(jiǎn)要回顧了國(guó)際上探測(cè)自旋流的實(shí)驗(yàn)手段，以及提出的有關(guān)自旋流的光學(xué)效應(yīng)和以此直接測(cè)量半導(dǎo)體中純自旋流的理論。1

自旋流的基本性質(zhì)自旋流與電流主要存在兩點(diǎn)區(qū)別。第一，電流在時(shí)間反演下改變流動(dòng)方向，而自旋流在時(shí)間反演下保持不變，因?yàn)檫€有自旋。這一性質(zhì)決定了自旋流是低耗散的，甚至是無耗散的。所有的物理微觀方程都是時(shí)間反演對(duì)稱的，而固體中幾乎所有的輸運(yùn)過程中破壞時(shí)間反演對(duì)稱性的物理根源來自于與環(huán)境耦合所導(dǎo)致的耗散。這一點(diǎn)可以從有阻尼的諧振子運(yùn)動(dòng)方程來理解。能量耗散來源于破壞時(shí)間反演對(duì)稱性的阻尼項(xiàng)，運(yùn)動(dòng)方程在時(shí)間反演下不變，諧振子能量守恒。第二，自旋流傳輸角動(dòng)量，且角動(dòng)量是一個(gè)贗矢量。這個(gè)特點(diǎn)允許自旋流可在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中傳輸信息，就像在光學(xué)集成網(wǎng)絡(luò)中可以通過光的極化狀態(tài)來傳遞信息一樣。

必須指出，由于量子體系中的自旋-軌道耦合，所定義的自旋流與電流不同，不是一個(gè)守恒量。電流守恒是由于體系存在對(duì)稱性，而自旋流并不對(duì)應(yīng)某一連續(xù)對(duì)稱性，由此引起對(duì)于自旋流定義的爭(zhēng)論。事實(shí)上，表明自旋流確是一個(gè)可直接測(cè)量的物理量。1

自旋流的探測(cè)方法自旋流的探測(cè)始于極化的自旋流的測(cè)量。所謂極化的自旋流，是指自旋向上的流與自旋向下的流不完全抵消，因而磁化不等于零。因此，可用傳統(tǒng)的磁光效應(yīng)通過測(cè)磁化，如法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)或克爾(Kerr)效應(yīng)，來探測(cè)極化的自旋流。純自旋流，既沒有凈磁化，也沒有凈電流。如何測(cè)量這樣一種流確實(shí)是一個(gè)問題。有不同的實(shí)驗(yàn)組分別成功地探測(cè)了純自旋流。主要基于以下兩種方法。一是通過光學(xué)方法探測(cè)界面附近的自旋極化，間接探測(cè)自旋流，這是因?yàn)閷?duì)于有限體系，體內(nèi)自旋流在界面處中斷而轉(zhuǎn)化為界面的自旋累積; 二是反自旋霍爾效應(yīng)可將自旋流轉(zhuǎn)化為界面處電荷的不平衡，從而通過電學(xué)測(cè)量間接探測(cè)自旋流。1

1 光學(xué)測(cè)量

對(duì)于有限尺寸體系，體內(nèi)產(chǎn)生的純自旋流到邊界處必須為零。因此在邊界附近衰減的自旋流必然伴隨著自旋弛豫，也即邊界處形成自旋累積和有限的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。自旋累積和自旋流通過擴(kuò)散達(dá)到平衡。自旋散射使得瞬態(tài)純自旋流在實(shí)空間產(chǎn)生自旋極化的改變，另外用一束探測(cè)光通過測(cè)量激子復(fù)合發(fā)光來探測(cè)自旋在空間的分布，以及隨入射光相位差的變化，從而間接測(cè)量自旋流。

2 電學(xué)測(cè)量

Tinkham 研究組于 2006 年成功地用電學(xué)方法探測(cè)了純自旋流。極化的自旋由鐵磁電極通過磁隧穿注入到介觀鋁條，導(dǎo)致鋁條中自旋向上和自旋向下的電子的化學(xué)勢(shì)劈裂以及沿鋁條方向非均勻分布，注入的極化自旋在鋁條中擴(kuò)散，在擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)形成自旋流。由自旋相關(guān)雜質(zhì)散射，自旋流中不同自旋取向的電子被散射到鋁條橫向不同的邊緣; 又由于不同自旋取向的電子數(shù)不等，橫向的自旋累積不平衡也導(dǎo)致電荷累積不平衡，即霍爾電壓。這就是反自旋霍爾效應(yīng)。1

自旋流的光學(xué)效應(yīng)與直接測(cè)量所有的實(shí)驗(yàn)探測(cè)都是將純自旋流轉(zhuǎn)化成其他信號(hào)，從而間接測(cè)量了純自旋流。一個(gè)有趣而很基本的問題是: 能不能直接測(cè)量純自旋流?不妨先考慮一個(gè)更基本的問題: 究竟什么樣的物理量能測(cè)量? 物理上，一個(gè)具有所有對(duì)稱性的的物體和空無一物并無區(qū)別，也無法測(cè)量。對(duì)稱破缺或“有缺陷”的物理現(xiàn)象則必有可觀測(cè)到的效應(yīng)。例如，一個(gè)點(diǎn)電荷在自由空間引入一個(gè)“點(diǎn)缺陷”，破壞了平移對(duì)稱性，產(chǎn)生可測(cè)的電場(chǎng)。一個(gè)電流圈在自由空間引入一個(gè)“環(huán)缺陷”，產(chǎn)生可測(cè)的磁場(chǎng)。這是因?yàn)?，若整個(gè)系統(tǒng)具有所有的對(duì)稱性，描述它的作用量或哈密爾頓量必然在所有的對(duì)稱變換下保持不變，也就是說，它是一個(gè)標(biāo)量; 若有一個(gè)流造成某種對(duì)稱性破缺，則必有一個(gè)相應(yīng)的流與之耦合以恢復(fù)對(duì)稱性。這一耦合的流即可作為那個(gè)破壞對(duì)稱性的流的探針。20 世紀(jì)六七十年代，這一原理在描述粒子物理中的流-流相互作用中不乏應(yīng)用。1

自旋電子學(xué)和自旋流傳統(tǒng)的電子學(xué)完全忽略了電子自旋，這使在探索未來半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展時(shí)有了新的契機(jī)和可能的研究方向。自旋電子學(xué)旨在利用電子自旋而非傳統(tǒng)的電子電荷為基礎(chǔ)，探討研發(fā)新一代電子產(chǎn)品的可能性。2

自旋流的產(chǎn)生和測(cè)量關(guān)于自旋流的產(chǎn)生和測(cè)量無論在理論方面還是在實(shí)驗(yàn)方面都取得了重大的突破。在理論方面，Hirsch重新討論了自旋霍爾效應(yīng)，電流基于雜質(zhì)散射可產(chǎn)生自旋流以及自旋流產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，破壞反射對(duì)稱性的能帶結(jié)構(gòu)也可產(chǎn)生內(nèi)稟的自旋霍爾效應(yīng)。這些效應(yīng)的討論為自旋流的測(cè)量提供了理論基礎(chǔ)和方向。已經(jīng)有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組用不同的方法成功地完成了自旋流的注入和探測(cè)。本文將介紹產(chǎn)生自旋流的方法以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些方法是基于自旋霍爾效應(yīng)的電注入法，利用鐵磁電極的側(cè)向非局域幾何注入法，和利用偏振光照射的光注入法。從測(cè)量手段來說，主要有光測(cè)量和電測(cè)量?jī)纱箢悺?

自旋霍爾效應(yīng)和電注入自旋流自旋霍爾效應(yīng)提供了一種方便和有效的產(chǎn)生自旋流的方法。當(dāng)系統(tǒng)加上一個(gè)外電場(chǎng)時(shí)，由于自旋軌道耦合的作用，一個(gè)順磁體系可以產(chǎn)生一個(gè)垂直于電場(chǎng)的自旋流。這個(gè)自旋流的極化方向垂直于電場(chǎng)和流向的平面。早期的理論預(yù)測(cè)的自旋流是由自旋向上和向下的電子受到雜質(zhì)勢(shì)的不對(duì)稱散射而產(chǎn)生的，被稱為外在的自旋霍爾效應(yīng)。研究表明，能帶結(jié)構(gòu)本身由于自旋軌道耦合引起的劈裂，在沒有雜質(zhì)散射的情況下，也能產(chǎn)生橫向的自旋流，被稱為內(nèi)稟的自旋霍爾效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)是將電流轉(zhuǎn)化為自旋流。同樣的原因，也可將自旋流轉(zhuǎn)化為電流。2

側(cè)面非局域注入自旋流側(cè)面非局域幾何結(jié)構(gòu)的自旋注入和探測(cè)始于1985年。Johnson和Silsbee利用兩個(gè)鐵磁電極接在鋁(Al)條上，自旋極化的電流可以從一個(gè)鐵磁電極注入，在注入點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生非平衡的自旋積累。由于擴(kuò)散的原因，自旋積累會(huì)逐漸擴(kuò)散開去，形成自旋分布。自旋積累可通過測(cè)量第二個(gè)鐵磁電極上的電壓而推導(dǎo)出來。Jedema等人在薄膜器件中，利用非局域結(jié)構(gòu)，在室溫下完成了自旋的注入和探測(cè)。相關(guān)技術(shù)在不同的系統(tǒng)中都得到了應(yīng)用。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)