Efecto Hall de giro

El efecto Hall de espín (SHE) es un fenómeno de transporte predicho por los físicos rusos Mikhail I. Dyakonov y Vladimir I. Perel en 1971. ^{[1] [2]} Consiste en la aparición de acumulación de espín en las superficies laterales de una muestra que transporta corriente eléctrica , siendo los signos de las direcciones de espín opuestos en los límites opuestos. En un cable cilíndrico, los espines superficiales inducidos por la corriente se enrollarán alrededor del cable. Cuando se invierte la dirección de la corriente, también se invierten las direcciones de orientación del espín.

El efecto Hall de espín es un fenómeno de transporte que consiste en la aparición de una acumulación de espín en las superficies laterales de una muestra que transporta corriente eléctrica. Los límites de las superficies opuestas tendrán espines de signo opuesto. Es análogo al efecto Hall clásico , donde las cargas de signo opuesto aparecen en las superficies laterales opuestas en una muestra que transporta corriente eléctrica en un campo magnético . En el caso del efecto Hall clásico, la acumulación de carga en los límites es en compensación por la fuerza de Lorentz que actúa sobre los portadores de carga en la muestra debido al campo magnético. No se necesita ningún campo magnético para el efecto Hall de espín, que es un fenómeno puramente basado en el espín . El efecto Hall de espín pertenece a la misma familia que el efecto Hall anómalo , conocido desde hace mucho tiempo en los ferroimanes , que también se origina a partir de la interacción espín-órbita .

El efecto Hall de espín (directo e inverso) fue predicho por los físicos rusos Mikhail I. Dyakonov y Vladimir I. Perel en 1971. ^{[1] [2]} También introdujeron por primera vez la noción de corriente de espín .

En 1983, Averkiev y Dyakonov ^[3] propusieron una forma de medir el efecto Hall de espín inverso bajo orientación de espín óptico en semiconductores. La primera demostración experimental del efecto Hall de espín inverso, basada en esta idea, fue realizada por Bakun et al. en 1984 ^[4].

El término "efecto Hall de espín" fue introducido por Hirsch ^[5] quien volvió a predecir este efecto en 1999.

Experimentalmente, el efecto Hall de espín (directo) se observó en semiconductores ^{[6] [7]} más de 30 años después de la predicción original.

Dos posibles mecanismos dan origen al efecto Hall de espín, en el que una corriente eléctrica (compuesta por cargas en movimiento) se transforma en una corriente de espín (una corriente de espines en movimiento sin flujo de carga). El mecanismo original (extrínseco) ideado por Dyakonov y Perel consistía en la dispersión de Mott dependiente del espín , donde los portadores con espín opuesto se difunden en direcciones opuestas al colisionar con impurezas en el material. El segundo mecanismo se debe a propiedades intrínsecas del material, donde las trayectorias de los portadores se distorsionan debido a la interacción espín-órbita como consecuencia de las asimetrías en el material. ^[8]

El efecto intrínseco se puede visualizar intuitivamente utilizando la analogía clásica entre un electrón y una pelota de tenis que gira. La pelota de tenis se desvía de su trayectoria recta en el aire en una dirección que depende del sentido de rotación, también conocido como efecto Magnus . En un sólido, el aire es reemplazado por un campo eléctrico efectivo debido a las asimetrías en el material, el movimiento relativo entre el momento magnético (asociado al espín) y el campo eléctrico crea un acoplamiento que distorsiona el movimiento de los electrones.

De manera similar al efecto Hall estándar, tanto los mecanismos extrínsecos como los intrínsecos conducen a una acumulación de espines de signos opuestos en límites laterales opuestos.

La corriente de espín se describe ^{[1] [2] mediante un} tensor de segundo rango q _ij , donde el primer índice se refiere a la dirección del flujo y el segundo al componente de espín que fluye. Por lo tanto, q _xy denota la densidad de flujo del componente y del espín en la dirección x . Introduzca también el vector q _i de densidad de flujo de carga (que está relacionado con la densidad de corriente normal j = e q ), donde e es la carga elemental. El acoplamiento entre las corrientes de espín y carga se debe a la interacción espín-órbita. Puede describirse de una manera muy sencilla ^[9] introduciendo un único parámetro de acoplamiento adimensional ʏ .

No se necesita ningún campo magnético para el efecto Hall de espín. Sin embargo, si se aplica un campo magnético lo suficientemente fuerte en la dirección perpendicular a la orientación de los espines en las superficies, los espines precesarán alrededor de la dirección del campo magnético y el efecto Hall de espín desaparecerá. Por lo tanto, en presencia de un campo magnético, la acción combinada del efecto Hall de espín directo e inverso conduce a un cambio de la resistencia de la muestra, un efecto que es de segundo orden en la interacción espín-órbita. Esto fue observado por Dyakonov y Perel ya en 1971 ^[2] y luego elaborado con más detalle por Dyakonov ^[9] . En los últimos años, la magnetorresistencia Hall de espín se estudió ampliamente experimentalmente tanto en materiales magnéticos como no magnéticos (metales pesados, como Pt, Ta, Pd, donde la interacción espín-órbita es fuerte).

Lifshits y Dyakonov predijeron una transformación de las corrientes de espín que consiste en intercambiar ( swapping ) las direcciones de espín y flujo ( q _ij → q _ji ^{). [10]} De este modo, un flujo en la dirección x de espines polarizados a lo largo de y se transforma en un flujo en la dirección y de espines polarizados a lo largo de x . Esta predicción aún no ha sido confirmada experimentalmente.

El efecto Hall de espín directo e inverso se puede controlar por medios ópticos. La acumulación de espín induce la polarización circular de la luz emitida , así como la rotación de polarización de Faraday (o Kerr ) de la luz transmitida (o reflejada). La observación de la polarización de la luz emitida permite observar el efecto Hall de espín.

Más recientemente, se ha demostrado la existencia de efectos tanto directos como inversos no sólo en semiconductores , ^[11] sino también en metales . ^{[12] [13] [14]}

El efecto Hall de espín se puede utilizar para manipular eléctricamente los espines de los electrones. Por ejemplo, en combinación con el efecto de agitación eléctrica, el efecto Hall de espín produce polarización de espín en una región conductora localizada. ^[15]

Para una revisión del efecto Hall de espín, consulte por ejemplo:

• Dyakonov, Mikhail I. (2008). Física del espín en semiconductores. Springer Series in Solid-State Sciences. Vol. 157. Springer. Bibcode :2008sps..book.....D. doi :10.1007/978-3-540-78820-1. ISBN 978-3-540-78820-1.

• Efecto Hall de espín cuántico
• Efecto Spin Nernst