[論文レビュー] Theory of Spin Hall Effects

Hans‐Andreas Engel, É. I. Rashba+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2006

Quantum and electron transport phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道結合が内在的および外在的メカニズムを通じて、外部磁場が不要な状態で横方向のスピン輸送およびスピン蓄積を生成することを説明する包括的な理論枠組みを提供する。これは、バルク、界面、およびメソスコピック系におけるスピン電流、スピン極化、および電気的駆動スピン現象との間の関係を確立する。

ABSTRACT

Spin Hall effects are a collection of phenomena, resulting from spin-orbit coupling, in which an electrical current flowing through a sample can lead to spin transport in a perpendicular direction and spin accumulation at lateral boundaries. These effects, which do not require an applied magnetic field, can originate in a variety of intrinsic and extrinsic spin-orbit coupling mechanisms and depend on geometry, dimension, impurity scattering, and carrier density of the system—making the analysis of these effects a diverse field of research. In this article, we give an overview of the theoretical background of the spin Hall effects and summarize some of the most important results. First, we explain effective spin-orbit Hamiltonians, how they arise from band structure, and how they can be understood from symmetry considerations; including intrinsic coupling due to bulk inversion or structure asymmetry or due to strain, and extrinsic coupling due to impurities. This leads to different mechanisms of spin transport: spin precession, skew scattering, and side jump. Then we present the kinetic (Boltzmann) equations, which describe the spin-dependent distribution function of charge carriers, and the diffusion equation for spin polarization density. Next, we define the notion of spin currents and discuss their relation to spin polarization. Finally, we explain the electrically induced spin effects; namely, spin polarization and currents in bulk and near boundaries (the focus of most current theoretical research efforts), and spin injection, as well as effects in mesoscopic systems and in edge states.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合の内在的および外在的メカニズムを通じて、スピンホール効果の起源を体系的に分類および説明すること。
• 対称性、バンド構造、不純物散乱がスピン輸送およびスピン蓄積を可能にする役割を明確化すること。
• 運動論的および拡散方程式を用いてスピン極化およびスピン電流の理論的記述を構築すること。
• 異なる幾何学的形状、次元、キャリア密度におけるスピンホール効果の理解を統一すること。
• メソスコピックおよび低次元系における電気的誘起スピン現象、特にスピン注入およびエッジ状態効果を探索すること。

提案手法

• バンド構造および対称性の考察から有効スピン軌道ハミルトニアンを導出・分析すること。
• スピン依存のキャリア分布関数をモデル化するためのボルツマン運動論方程式の適用。
• スピン極化密度の時間発展を記述するスピン拡散方程式の定式化。
• スピン電流演算子の定義およびスピン極化との関係の分析。
• 対称性に基づく分類を用いて、内在的（バルク反転対称性、歪み）および外在的（ずれ散乱、サイドジャンプ）メカニズムを区別すること。
• 境界効果、メソスコピック系、および低次元材料におけるエッジ状態を含む理論モデルの拡張。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内在的および外在的スピン軌道結合メカニズムは、スピンホール効果にどのように寄与するか？
• RQ2 スピン軌道結合が存在する状況で、スピン電流とスピン極化の関係は何か？
• RQ3 電場はバルクおよび界面でどのようにスピン蓄積およびスピン電流を誘起するか？
• RQ4 不純物および散乱メカニズムは、横方向スピン輸送を生成するために果たす役割は何か？
• RQ5 幾何的および次元的制約は、メソスコピックおよび低次元系におけるスピンホール現象にどのように影響するか？

主な発見

• スピンホール効果はスピン軌道結合に起因し、外部磁場が不要な状態でスピン輸送およびスピン蓄積を可能にする。
• 内在的スピン軌道結合はバルク反転不対称性、構造的不対称性、または歪みに起因するが、外在的結合はずれ散乱およびサイドジャンプメカニズムによる不純物散乱に起因する。
• 運動論（ボルツマン）方程式およびスピン拡散方程式は、スピン極化ダイナミクスおよびスピン輸送を一貫して記述するフレームワークを提供する。
• スピン電流とスピン極化は、スピン軌道結合に起因するスピン依存の移動および拡散によって関連づけられる。
• 電気的誘起スピン蓄積およびスピン電流は、バルク材料および側面境界付近で予測されており、スピントロニクスデバイスの概念的基盤をなす。
• 理論モデルは、メソスコピック系およびトポロジカルエッジ状態において顕著なスピンホール効果を予測しており、スピンを用いた情報処理への可能性を示唆している。