[论文解读] Spin current swapping in the two dimensional electron gas

Ka Shen, Roberto Raimondi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了二维电子气中的自旋电流交换（SCS），表明其需要非均匀自旋电流（如自旋扩散产生的电流）而非均匀漂移电流。与依赖磁场中自旋进动的Hanle自旋霍尔效应不同，SCS仅在无外磁场且存在空间变化的自旋电流时才能明确观测到，因此提出了一个用于其检测的实验装置。

ABSTRACT

We analyze the effect known as current swapping (SCS) due to electron-impurity scattering in a uniform spin-polarized two-dimensional electron gas. In this effect a primary spin current $J_i^a$ (lower index for spatial direction, upper index for spin direction) generates a secondary spin current $J_a^i$ if $i eq a$, or $J_j^j$, with $j e i$, if $i= a$. Contrary to naive expectation, the homogeneous spin current associated with the uniform drift of the spin polarization in the electron gas does not generate a swapped spin current by the SCS mechanism. Nevertheless, a swapped spin current will be generated, if a magnetic field is present, by a completely different mechanism, namely, the precession of the spin Hall spin current in the magnetic field. We refer to this second mechanism as Hanle spin Hall effect, and we notice that it can be observed in an experiment in which a homogeneous drift current is passed through a uniformly magnetized electron gas. In contrast to this, we show that an unambiguous observation of SCS requires inhomogeneous spin currents, such as those that are associated with spin diffusion in a metal, and no magnetic field. An experimental setup for the observation of the SCS is therefore proposed.

研究动机与目标

• 阐明自旋电流交换（SCS）在二维电子气中发生的条件。
• 将SCS与依赖磁场中自旋进动的Hanle自旋霍尔效应区分开来。
• 确定明确观测SCS的具体实验要求，避免磁场带来的干扰效应。
• 提出一种可行的实验构型，通过消除均匀自旋电流和外磁场来隔离SCS。

提出的方法

• 分析自旋极化二维电子气中的电子-杂质散射过程，以模拟自旋电流的产生。
• 使用自旋电流密度算符 $J_i^a$ 和 $J_a^i$ 描述主要和次级自旋电流，其中 $i \neq a$ 表示交换。
• 应用线性响应理论，评估系统对空间非均匀自旋电流的响应。
• 将SCS机制与依赖磁场中自旋进动的Hanle自旋霍尔效应进行比较。
• 推导出SCS在均匀自旋电流下消失的条件，与存在自旋扩散时非零响应形成对比。
• 设计一种理论实验装置，通过抑制磁场和均匀电流来隔离SCS。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋电流交换（SCS）在二维电子气中于何种条件下发生？
• RQ2 为何尽管直观上预期，均匀自旋电流仍无法通过SCS产生交换自旋电流？
• RQ3 在物理机制和实验要求方面，Hanle自旋霍尔效应与SCS有何不同？
• RQ4 为实现SCS的明确观测，所需自旋电流分布是均匀还是非均匀的？
• RQ5 何种实验构型可将SCS与磁质中自旋进动等竞争效应分离？

主要发现

• 由于对称性约束，即使电子-杂质散射使该机制成为可能，SCS在均匀自旋电流下也不会发生。
• 仅当自旋电流非均匀（如自旋扩散）且无外磁场时，才会产生交换自旋电流。
• Hanle自旋霍尔效应通过磁场中自旋进动产生交换电流，与SCS在物理机制和实验条件上均不同。
• 为明确隔离并观测SCS，必须采用无外磁场和均匀电流的实验装置。
• 所提出的实验构型利用自旋扩散产生所需的非均匀自旋电流，从而实现SCS的探测。