Efect Rashba-Edelstein

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Relația de dispersie și profilurile Fermi produse prin separarea Rashba și structura izolatorului topologic: secțiunea relației de dispersie (a) și profilurile Fermi (b) produse de efectul Rashba și secțiunea relației de dispersie (c) și profilul Fermi (d) pe suprafața izolatorilor topologici. [1]

Efectul Rashba-Edelstein ( REE ) este un efect legat de spintronică (ramura fizicii în stare solidă ) care constă în conversia unui curent de sarcină bidimensională într-o acumulare de spin . [1] [2] Acest efect este un mecanism intrinsec de conversie a sarcinii de spin care a fost prezis în 1990 de omul de știință VM Edelstein. [3] Prima demonstrație experimentală a acestui efect datează din 2013 [4] și a fost apoi confirmată de numeroase dovezi experimentale în anii următori. [2] [5] [6]

Originea sa este atribuită prezenței suprafeței polarizate prin spin sau a stărilor de interfață. [7] Aceste stări sunt prezente, de exemplu, atunci când o rupere a simetriei de inversiune structurală (adică o asimetrie de inversiune structurală (SIA)) produce efectul Rashba: acest efect, de fapt, rupe degenerarea de spin a benzilor și face blocarea spin-impulsului în fiecare ramură a relației de dispersie . [2] Prin urmare, dacă un curent de încărcare curge în aceste stări de suprafață polarizate de spin, produce acumularea de spin. În cazul unui gaz Rashba bidimensional, în care se produce această separare a benzilor, [8] acest efect se numește efect Rashba-Edelstein . [1] [7]

În ceea ce privește o clasă de materiale particulare, numite izolatori topologici (TI) , stările de suprafață polarizate în spin există datorită topologiei suprafeței particulare și sunt independente de efectul Rashba. [9] Izolatorii topologici, de fapt, prezintă o relație de dispersie liniară spin-polarizată pe suprafețele lor (adică, la suprafață, prezintă conuri Dirac polarizate prin spin [10] ), în ciuda faptului că au benzi separate în cea mai mare parte a materialului ( de aceea aceste materiale se numesc izolatori). [1] Din nou, centrifugarea și impulsul se fixează reciproc [2] și, atunci când curge un curent de încărcare în aceste stări de suprafață polarizate de spin, se produce o acumulare de centrifugare: acest efect se numește efect Edelstein . [7] În ambele cazuri, atât în ​​efectul Rashba-Edelstein, cât și în efectul Edelstein, apare un mecanism bidimensional de conversie încărcare-rotire. [7]

Procesul invers este numit efectul invers Edelstein (Rashba-) și constă în transformarea unei acumulări de spin într-un curent de sarcină bidimensional, producând o conversie bidimensională spin-to-charge. [11]

Efectul (Rashba-) Edelstein și efectul său invers sunt clasificate ca mecanisme de interconversie spin-charge (SCI), cum ar fi efectul direct și invers al efectului Hall, iar materialele care prezintă aceste efecte sunt candidați promițători pentru a deveni primeri de spin. pentru utilizare în alte aplicații tehnologice. [1] [2] [4]

Efectul (Rashba-) Edelstein este un efect de suprafață, spre deosebire de efectul de rotire Hall care este un efect masiv. [1] O altă diferență dintre cele două este că efectul (Rashba-) Edelstein este un mecanism pur intrinsec, în timp ce originea efectului Spin Hall poate fi intrinsecă sau extrinsecă. [12]

Originea fizică

Originea efectului (Rashba-) Edelstein se bazează pe prezența stărilor de suprafață sau de interfață separate în spin, care pot apărea datorită unei asimetrii de inversare structurală sau deoarece materialul are o suprafață protejată topologic, fiind un izolator topologic. [1] [7] În ambele cazuri, suprafața materialului arată orientarea polarizării spin fixată pe cea a momentului (blocarea spin-momentum), ceea ce înseamnă că aceste două cantități sunt cuplate în mod unic și ortogonale între ele ( acest lucru este clar vizibil din profilurile Fermi ). [1] [7] [9] [10] Este demn de remarcat faptul că poate fi prezentă și o asimetrie de inversare în vrac, care ar produce efectul Dresselhaus. [1] De fapt, dacă, pe lângă asimetria de inversare spațială sau stările de suprafață ale izolatorilor topologici, există și o asimetrie de inversare în masă, orientarea spinului este încă fixă ​​cu cea a momentului, dar poziția lor reciprocă nu este ușor. determinat (de fapt, în acest caz, și direcția fluxului de sarcină în raport cu axele cristalografice joacă un rol important în determinarea orientării relative a celor două mărimi). [9] În discuția care urmează, efectul Dresselhaus va fi trecut cu vederea, pentru simplitate. [9]

Structura de bandă a izolatorului topologic în echilibru (a) și într-o situație de neechilibru, atunci când are loc un proces de interconversie spin-sarcină (b). Două efecte posibile ar putea duce la situația de neechilibru: injectarea unui curent de încărcare (adică a ) care este transformat într-o acumulare de centrifugare (efect Edelstein) sau injecția unui curent de centrifugare care are ca rezultat o acumulare de centrifugare și produce un curent de încărcare (efect Edelstein invers). [1]

Cazul izolatorului topologic este mai ușor de vizualizat datorită prezenței unui singur profil Fermi, din acest motiv se analizează inițial această situație. Izolatorii topologici prezintă stări de suprafață separate de rotire în care este prezentă blocarea impulsului de rotire (rotirea și momentul fixate împreună la fiecare punct al benzii în cauză, numit conul Dirac). [1] [2] [10] De fapt, atunci când un curent de sarcină curge în stările de suprafață ale izolatorului topologic, acest lucru poate fi văzut și ca o deplasare a momentului bine definit în spațiul reciproc care produce o ocupație diferită a ramurilor polarizate în spin ale conului Dirac. [1] Acest dezechilibru în cele două ramuri, datorat și conformației relației de dispersie a izolatorului topologic, produce o acumulare de centrifugare în materialul studiat: cu alte cuvinte, are loc o conversie încărcare-centrifugare. [3] Acumularea de rotire generată de acest proces este ortogonală la curentul de sarcină injectat și acest lucru se datorează blocării impulsului de rotire. [13] Datorită faptului că aceste materiale prezintă un comportament conductiv la suprafața lor în timp ce izolează în vrac, curentul de încărcare poate curge doar pe suprafețele izolatorului topologic: aceasta este originea bidimensionalității acestei conversii mecanism de încărcare-rotire. [14]

În ceea ce privește efectul Rashba-Edelstein, relația de dispersie polarizată prin spin este formată din două benzi traduse reciproc de-a lungul axei k datorită unei asimetrii de inversiune structurală (SIA): această traducere este tocmai definiția efectului Rashba (adică, aceste benzi prezintă un separare liniară în k datorită interacțiunii orbitei de spin [9] [15] ). Acest lucru are ca rezultat două profiluri Fermi , ambele cu blocare a impulsului de rotire, care sunt concentrice într-o situație de echilibru, dar cu rotire și moment fixate reciproc cu helicitate opusă în cele două profiluri. [9] Dacă sistemul este adus într-o stare de neechilibru, de exemplu prin injectarea unui curent de încărcare, cele două discuri se mișcă unul față de celălalt și se formează o acumulare netă de centrifugare. [9] Acest efect apare, de exemplu, într-un gaz Rashba bidimensional. [1] Separarea benzilor datorită efectului Rashba complică înțelegerea și vizualizarea imediată a mecanismului de conversie spin-to-charge, dar principiul de funcționare de bază al efectului Rashba-Edelstein este foarte similar cu cel al lui Edelstein. [1] [4]

Experimental, efectul (Rashba-) Edelstein apare dacă un curent de încărcare este injectat electric în izolatorul topologic, de exemplu prin intermediul a doi electrozi prin care se aplică o diferență de potențial probei. Acumularea de centrifugă care se formează ca urmare a acestui proces de conversie poate fi măsurată în mai multe moduri, dintre care unul este prin utilizarea efectului Kerr magneto-optic (MOKE) . [1]

Efect invers (Rashba-) Edelstein

Procesul invers, adică efectul invers (Rashba-) Edelstein (I (R) EE) [13] are loc atunci când se generează o acumulare de spin în interiorul materialului studiat și un curent de sarcină pe suprafața materialului (în acest caz , avem o conversie bidimensională de rotire-încărcare). [1] Pentru a avea efectul invers (Rashba-) Edelstein, este necesar să se genereze o acumulare de centrifugare în materialul analizat și această injecție de centrifugare se realizează în general prin cuplarea materialului de testat cu un feromagnet pentru a efectua pomparea de centrifugare [2] [ 16] sau cu un semiconductor unde este posibil să se injecteze spin prin tehnica de orientare optică. [17] [18] [19] Ca și în cazul efectului direct, efectul invers Rashba-Edelstein apare la materiale fără simetrie de inversare structurală, în timp ce efectul invers Edelstein apare la izolatorii topologici. [1]

În cazul efectului invers Edelstein, observând secțiunea conului Dirac, conversia spin-to-charge poate fi vizualizată după cum urmează: spinul injectat produce o acumulare de spin a unei polarități date într-una din ramurile dispersiei relație. [1] [7] Această acumulare de rotire, datorită ocupării diferite a ramurilor relației de dispersie, duce la un dezechilibru al momentului și, prin urmare, la un curent de încărcare care poate fi măsurat electric. [7] La fel ca în efectul direct, tot în efectul invers Edelstein, curentul de încărcare poate curge exclusiv pe suprafețele izolatorului topologic datorită conformării benzilor de energie. [10] Ceea ce tocmai a fost descris explică modul în care are loc conversia spin-charge în aceste materiale și, faptul că această conversie este posibilă, poate permite izolatorilor topologici să fie exploatați ca detectoare de spin. [2]

Așa cum sa făcut deja în cazul efectului direct, această analiză a fost efectuată pentru efectul invers Edelstein, deoarece în acest caz există doar două ramuri în relația de dispersie. În ceea ce privește efectul invers Rashba-Edelstein, procesul este foarte asemănător cu cel descris pentru efectul invers Edelstein, în ciuda prezenței a patru ramuri în relația de dispersie, cu blocare spin-impuls, și a două profiluri Fermi consecvente cu helicitate opusă. [1] [7] În acest caz, cele două profile Fermi, atunci când se generează o acumulare de centrifugare în interiorul materialului, se vor mișca unul față de celălalt, generând un curent de încărcare, spre deosebire de cazul echilibrului în care cele două profile Fermi sunt concentrice și fără a exista nici un moment net, nici o acumulare de rotire. [1] [9]

Eficienta conversiei

În timp ce efectul (Rashba-) Edelstein și efectul invers (Rashba-) Edelstein se bazează pe o acumulare de spin, figura meritului celor două procese este de obicei calculată luând în considerare densitatea de curent de spin dependentă de acumularea de spin, mai degrabă decât acumularea de spin în sine, în analogie cu calculul unghiului de rotire Hall. [2] Într-adevăr, eficiența efectului (Rashba-) Edelstein și a efectului invers (Rashba-) Edelstein poate fi estimată prin lungimea lui (Rashba-) Edelstein, adică raportul dintre densitatea curentului de sarcină, care curge pe suprafața materialului studiat (adică o densitate de curent de sarcină de suprafață) și densitatea de curent de centrifugare tridimensională (deoarece acumularea de centrifugi se poate difuza în spațiul tridimensional). [2] În efectul (Rashba-) Edelstein, curentul de centrifugare este o consecință a acumulării de centrifugare care apare în material atunci când curentul de sarcină curge pe suprafața sa (sub influența unei diferențe de potențial și, prin urmare, a unei câmp), în timp ce, în efectul invers (Rashba-) Edelstein, curentul de spin este injectat în material și generează o acumulare de spin, producând un curent de încărcare localizat pe suprafața materialului. [1] [7] În ambele cazuri, asimetria în dimensiunile curentului de sarcină și de centrifugare are ca rezultat un raport care are, dimensional, unitățile unei lungimi: aceasta este originea numelui acestui parametru de eficiență. [1]

Analitic, valoarea densității curentului de sarcină bidimensională poate fi calculată prin ecuația lui Boltzmann și, având în vedere acțiunea unui câmp electric , acest curent de încărcare se dovedește a fi [1] [9] :

,

unde este este sarcina elementară, este timpul de împrăștiere a momentului, Și sunt, respectiv, vectorul undei Fermi și viteza Fermi și este constanta Planck redusă. Densitatea curentului de centrifugare poate fi calculată și analitic prin integrarea, pe întreaga suprafață Fermi, a produsului polarizării centrifugării și a funcției de distribuție corespunzătoare. În cazul efectului Edelstein, această cantitate se dovedește a fi [1] [9] :

,

unde este este unitatea perpendiculară pe suprafața pe care curge curentul de încărcare. Din aceste formule se poate observa ortogonalitatea densității curentului de centrifugare și încărcare. [1]

În ceea ce privește efectul Edelstein și efectul invers Edelstein, rezultă eficiența conversiei, prin urmare [1] :

,

unde este este timpul de împrăștiere al momentului, în timp ce este viteza Fermi. [1] [2] Acest parametru este pozitiv în mod convențional pentru un contur Fermi cu o helicitate în sens invers acelor de ceasornic. [2]

Derivarea lungimii Rashba-Edelstein este aceeași cu cea a lui Edelstein, cu excepția care este înlocuit de parametrul Rashba [9] sau , și se dovedește a fi [1] :

.

Lungimea (Rashba-) Edelstein a materialului studiat poate fi comparată cu alte eficiențe de interconversie a sarcinii de spin [2] , cum ar fi unghiul de spin-Hall [1] , pentru a determina dacă acest material este un convertor eficient de sarcină de spin și , prin urmare, dacă poate fi potrivit pentru aplicații spintronice. [2] Lungimea Rashba-Edelstein (eficiența de interconversie bidimensională a spin-sarcinii) poate fi comparată cu unghiul Hall de rotire (eficiența de interconversie tridimensională a sarcinii de spin) prin conversia acestuia în mod corespunzător, adică prin împărțirea parametrului pentru grosimea stărilor de suprafață separate de rotire în care are loc această conversie bidimensională. [4] Acest unghi de rotire „echivalent” Hall obținut pentru efectul (Rashba-) Edelstein își asumă adesea valori apropiate sau chiar mai mari decât unitatea [4] : efectul (Rashba-) Edelstein, în medie, este un mecanism de interconversie mai eficientă a centrifugării decât efectul de centrifugare Hall și acest lucru ar putea duce la o utilizare viitoare a materialelor care prezintă acest efect în sectorul tehnologic. [2] [4] [20]

Notă

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac Carlo Zucchetti, Spin-charge interconversion in Ge-based structures , în www.politesi.polimi. it , 2019.
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o J.-C. Rojas-Sánchez, S. Oyarzún și Y. Fu, Spin-pompare în stări de suprafață a izolatorului topologic α-Sn, conversie spin-to-charge la temperatura camerei , în Physical Review Letters , vol. 116, nr. 9, 1 martie 2016, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.116.096602 .
  3. ^ a b VM Edelstein, polarizarea spinului electronilor de conducție indusă de curentul electric în sistemele electronice asimetrice bidimensionale , în Solid State Communications , vol. 73, nr. 3, ianuarie 1990, pp. 233-235, DOI : 10.1016 / 0038-1098 (90) 90963-C .
  4. ^ a b c d e f JC Rojas-Sánchez, L. Vila și G. Desfonds, conversie Spin-to-charge utilizând cuplarea Rashba la interfața dintre materialele nemagnetice , în Nature Communications , vol. 4, nr. 1, 17 decembrie 2013, DOI : 10.1038 / ncomms3944 .
  5. ^ HJ Zhang, S. Yamamoto și B. Gu, Charge-to-Spin Conversion and Spin Difusion in Bi / Ag Bilayers Observed by Spin-Polarized Positron Beam , în Physical Review Letters , vol. 114, nr. 16, 22 aprilie 2015, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.114.166602 .
  6. ^ AR Mellnik, JS Lee și A. Richardella, Cuplul de transfer de rotire generat de un izolator topologic , în Nature , vol. 511, nr. 7510, 23 iulie 2014, pp. 449–451, DOI : 10.1038 / nature13534 .
  7. ^ a b c d e f g h i j F. Bottegoni, C. Zucchetti și G. Isella, Spin-charge interconversion in heterostructures based on group-IV semiconductors , în La Rivista del Nuovo Cimento , vol. 43, nr. 2, 17 februarie 2020, pp. 45–96, DOI : 10.1007 / s40766-020-0002-0 .
  8. ^ John Schliemann și Daniel Loss, Transport anizotrop într-un gaz de bi-dimensiune electron în prezența cuplării spin-orbită , în Physical Review B , vol. 68, nr. 16, 14 octombrie 2003, DOI : 10.1103 / PhysRevB.68.165311 .
  9. ^ a b c d e f g h i j k Pietro Gambardella și Ioan Mihai Miron, Momentul indus de curent - cupluri de orbită , în Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences , vol. 369, nr. 1948, 13 august 2011, pp. 3175-3197, DOI : 10.1098 / rsta.2010.0336 .
  10. ^ a b c d MZ Hasan și CL Kane, Colocviu: izolatori topologici , în Review of Modern Physics , vol. 82, nr. 4, 8 noiembrie 2010, pp. 3045-3067, DOI : 10.1103 / RevModPhys.82.3045 .
  11. ^ Miren Isasa, M. Carmen Martínez-Velarte și Estitxu Villamor, Originea efectului invers Rashba-Edelstein detectat la interfața Cu / Bi folosind supape de rotire laterale , în Physical Review B , vol. 93, nr. 1, 13 ianuarie 2016, DOI : 10.1103 / PhysRevB.93.014420 .
  12. ^ Mikhail I. Dyakonov, Spin physics in semiconductors , Springer, 2008, ISBN 978-3-540-78819-5 .
  13. ^ a b Ka Shen, G. Vignale și R. Raimondi, Teoria microscopică a efectului invers Edelstein , în Physical Review Letters , vol. 112, nr. 9, 5 martie 2014, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.096601 .
  14. ^ Shu Cai, Jing Guo și Vladimir A. Sidorov, Independența stării suprafeței topologice și a conductanței în vrac în izolatorii topologici tridimensionali , în npj Quantum Materials , vol. 3, nr. 1, 23 noiembrie 2018, DOI : 10.1038 / s41535-018-0134-z .
  15. ^ A. Manchon, HC Koo și J. Nitta, Noi perspective pentru cuplarea spin-orbită Rashba , în Nature Materials , vol. 14, n. 9, 20 august 2015, pp. 871–882, DOI : 10.1038 / nmat4360 .
  16. ^ Yongbing Xu, David D. Awschalom și Junsaku Nitta, Handbook of spintronics , 1st. 2016ª ed., Pp. 1–1596, ISBN 978-94-007-6893-2 .
  17. ^ Georges Lampel, Nuclear Dynamic Polarization by Optical Electronic Saturation and Optical Pumping in Semiconductors , în Physical Review Letters , vol. 20, nr. 10, 4 martie 1968, pp. 491–493, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.20.491 .
  18. ^ F. Meier și BP Zakharchenya, Optical Orientation , Elsevier Science, 1 noiembrie 1984, ISBN 9780444599919 .
  19. ^ Michel Dyakonov și Valerie Perel,Theory of Optical Spin Orientation of Electrons and Nuclei in Semiconductors , 1984, DOI : 10.1016 / B978-0-444-86741-4.50007-X .
  20. ^ Talieh S. Ghiasi, Alexey A. Kaverzin și Patrick J. Blah, Charge-to-Spin Conversion by the Rashba - Edelstein Effect in Two-dimensional van der Waals Heterostructures up to Room Room , în Nano Letters , vol. 19, nr. 9, 13 august 2019, pp. 5959–5966, DOI : 10.1021 / acs.nanolett.9b01611 .

Elemente conexe