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 senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen. Er ist proportional zum elektrischen Feld E, das die Elektronenbewegung treibt: . Dabei bezeichnet den Spin-Hall-Leitfähigkeit.
• Es ist kein externes Magnetfeld erforderlich. Der Effekt beruht auf spinabhängeiger 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).

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Experimente

Theoretisch wurde der Spin-Hall-Effekt schon in der 1960er Jahren vorhergesagt, experimentell aber erst 2004 von Y.K. Kato, D.D. Awschalom u.a. nachgewiesen. Nachweisbar ist der Spin-Hall-Effekt beispielsweise in GaAs-Halbleiterstrukturen bei Temperaturen von 30 K. Im Jahr 2006 wurde der Spin-Hall-Effekt bei Raumtemperatur in ZnSe-Strukturen nachgewiesen (N. P. Stern et al., Phys. Rev. Lett. 97,126603 (2006)).

Methode

Die ortsabhängige Messung der Spinverteilung kann über Kerr-Rotations-Mikroskopie erfolgen. Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte Materialien in Abhängigkeit ihrer 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. (Y. K. Kato et al., Science 306, 1910 (2004)) 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