[論文レビュー] Spin Hall effect

Jairo Sinova, Sergio O. Valenzuela+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、スピン・オービット結合を介して電流が横方向のスピン電流を生成する仕組みを説明する、スピンホール効果（SHE）の包括的レビューを提供している。実験的および理論的進展を統合し、光学的測定、輸送測定、磁化力学的測定を、物性論的および微視的理論と結びつけ、スピンホール角とスピンポンプ機構がスピン電流の定量的評価に不可欠なツールであることを確立している。

ABSTRACT

Spin Hall effects are a collection of relativistic spin-orbit coupling phenomena in which electrical currents can generate transverse spin currents and vice versa. Although first observed only a decade ago, these effects are already ubiquitous within spintronics as standard spin-current generators and detectors. Here we review the experimental and theoretical results that have established this sub-field of spintronics. We focus on the results that have converged to give us a clear understanding of the phenomena and how they have evolved from a qualitative to a more quantitative measurement of spin-currents and their associated spin-accumulation. Within the experimental framework, we review optical, transport, and magnetization-dynamics based measurements and link them to both phenomenological and microscopic theories of the effect. Within the theoretical framework, we review the basic mechanisms in both the extrinsic and intrinsic regime which are linked to the mechanisms present in their closely related phenomenon in ferromagnets, the anomalous Hall effect. We also review the connection to the phenomenological treatment based on spin-diffusion equations applicable to certain regimes, as well as the spin-pumping theory of spin-generation which has proven important in the measurements of the spin Hall angle. We further connect the spin-current generating spin Hall effect to the inverse spin galvanic effect, which often accompanies the SHE, in which an electrical current induces a non-equilibrium spin polarization. These effects share common microscopic origins and can exhibit similar symmetries when present in ferromagnetic/non-magnetic structures through their induced current-driven spin torques. Although we give a short chronological overview, the main body is structured from a pedagogical point of view, focusing on well-established and accepted physics.

研究の動機と目的

• スピントロニクスにおける中心的現象としてのスピンホール効果の実験的および理論的理解を統合すること。
• スピン電流およびスピン蓄積の定性的な測定から定量的測定への移行を明確にすること。
• 異常ホール効果や逆スピンギャルバニック効果といった関連現象とスピンホール効果を結びつけること。
• 微視的理論とスピンホール角のような測定可能な量を結びつける教育的枠組みを確立すること。
• スピン拡散方程式などの物性論的モデルとスピンポンプ理論を統合し、スピン電流の生成および検出を説明すること。

提案手法

• スピン電流の光学的、輸送的、磁化力学的測定を含む実験的手法をレビューすること。
• 微視的および物性論的理論を用いて、スピンホール効果の外的および内的メカニズムを分析すること。
• 特に非磁性材料において、スピン輸送を記述するためにスピン拡散方程式を適用すること。
• 特にフェリ磁性/非磁性ヘテロ構造において、界面でのスピン電流生成をモデル化するためにスピンポンプ理論を用いること。
• スピンホール効果と逆スピンギャルバニック効果の間の対称性および微視的関係を確立すること。
• 理論的枠組みと実験データを比較することで、スピンホール角およびスピン蓄積の定量的評価を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性材料におけるスピンホール効果の根本的な微視的メカニズムは何か？
• RQ2 外的および内的寄与がスピンホール効果にどのように異なるか、またフェリ磁性体における異常ホール効果とどのように関係するか？
• RQ3 スピン拡散方程式がスピンホール系におけるスピン輸送をモデル化するのに適用可能な領域は何か？
• RQ4 スピンポンプ理論がスピンホール角の定量的測定をどのように可能にするか？
• RQ5 対称性および微視的起源の観点から、スピンホール効果と逆スピンギャルバニック効果の関係は何か？

主な発見

• スピンホール効果は、スピントロニクスデバイスにおけるスピン電流の生成および検出の信頼できるメカニズムとして現在確立されている。
• スピンポンプおよび輸送に基づく技術を用いることで、スピン電流の定量的測定は著しく進展した。
• スピンホール角は、電流からスピン電流を生成するプロセスを結びつける重要なパラメータとして、実験的に裏付けられている。
• スピン拡散およびスピンポンプモデルを含む理論的枠組みは、非磁性系におけるスピン輸送および生成をうまく記述している。
• スピンホール効果と逆スピンギャルバニック効果は、共通する微視的起源を持ち、フェリ磁性/非磁性ヘテロ構造において類似した対称性を示す。
• スピンホール効果と異常ホール効果の関係性は、非磁性および磁性材料におけるスピンオービット結合現象を統一的に理解する手がかりを提供する。