Spin-Hall-Effekt

Der Spin-Hall-Effekt ist ein quantenmechanischer Effekt, der in gewisser Weise in Analogie zum klassischen Hall-Effekt zu sehen ist. Die wesentlichen Unterschiede zum klassischen Hall-Effekt umfassen dabei:

• Anstelle eines Ladungsstromes fließt ein Spin-Strom j_s  quer ^[1]  zur Probe, d.h. zum Beispiel in y-Richtung, während die Bewegungsrichtung der Elektronen die Längsrichtung (x-Richtung) ist. Er ist proportional zum elektrischen Feld E, das die Elektronenbewegung treibt: $j_s = \sigma_{sH} \cdot E$. Dabei bezeichnet $\sigma_{sH}\$ die Spin-Hall-Leitfähigkeit.
• Es ist kein externes Magnetfeld erforderlich. Der Effekt beruht auf spinabhängiger Streuung der Elektronen an Defekten der Probe (extrinsischer Spin-Hall-Effekt). In Spin-Bahn-gekoppelten Systemen tritt der Spin-Hall-Effekt auch in idealen Systemen auf, die keine Defekte aufweisen (intrinsischer Spin-Hall-Effekt).

Experimente

Theoretisch wurde der Spin-Hall-Effekt schon in der 1960er Jahren vorhergesagt, experimentell aber erstmalig 2004 von Y. K. Kato, David Awschalom u.a. nachgewiesen.^[2] Belegt ist der Effekt z. B. in GaAs-Halbleiterstrukturen bei Temperaturen von 30 K. Verglichen mit dem gewöhnlichen Hall-Effekt, der bereits seit mehr als hundert Jahren bekannt ist, ist der Spin-Hall-Effekt jedoch um Größenordnungen kleiner. Im Jahr 2006 wurde er auch bei Raumtemperatur (d.h. bei etwa 300 K) nachgewiesen, und zwar in ZnSe-Strukturen.^[3]

Methode

Die ortsabhängige Messung der Spinverteilung kann über Kerr-Rotations-Mikroskopie erfolgen. Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte Materialien durch ihre Magnetisierung die Polarisationsebene einfallenden, linear polarisierten Lichts drehen. Da eine Ansammlung einer Spinausrichtung effektiv einer Magnetisierung entspricht, kann durch Abrastern der Probe eine Karte der Spinpolarisation erstellt werden. Der erste Nachweis von Kato, Awschalom et al.^[2] erfolgte über die Kerr-Rotation.

Technische Anwendung

Von einer kontrollierten Erzeugung von Spin-Strömen erhofft man sich deutliche technische Fortschritte bei Speichermedien (MRAM) und des Spin-Transistors sowie wichtige Schritte hin zur Entwicklung eines Quantencomputers, dessen Realisierungsmöglichkeit jedoch umstritten ist.

Siehe auch

• Spintronik
• Quanten-Hall-Effekt

Einzelnachweise

1. ↑ Die beiden gegenüberstehenden Querschnittsflächen sind also z. B. entgegengesetzt spin-polarisiert.
2. ↑ ^{a b} Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D. Awschalom: Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors. In: Science. 306, Nr. 5703, 2004, S. 1910-1913, doi:10.1126/science.1105514.
3. ↑ T. Kimura, Y. Otani, T. Sato, S. Takahashi, S. Maekawa: Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect. In: Physical Review Letters. 98, Nr. 15, 2007, S. 156601-156604, doi:10.1103/PhysRevLett.98.156601.