Квантовый эффект Холла

Квантовый эффект Холла связан с использованием явления сверхпроводимости. Если структура металл-окисел-полупроводник (МОП-структура) охладить до температуры 4,2 К и поместить в сильное магнитное поле с индикацией (6−12) Тл, то на выходе МОП-структуры, называемой холловским контактом, электрическое сопротивление будет изменяться ступенчатым образом, в соответствии с записью.

rx = n. (h/e2),.

где h — постоянная Планка, Дж. с; e — заряд электрона, Кл. проверим размерность холловского сопротивления.

[h] / [e2] = Дж. с / (Кл)2 = [L2MT-2. T] / [TI]2 = L2MT-3 I-2.

Это есть размерность электрического сопротивления.

Величина холловского сопротивления (константа К. Клитцинга) rx= 25 812,807 Ом с погрешностью измерений, выполненных за рубежом и в нашей стране, не менее 10−8. По зарубежным данным значение соотношения e/h2 в ближайшее годы будет подтверждено с погрешностью до 10−20. В этом случае существенно (как минимум на порядок) уменьшиться погрешность измерения единицы электрического сопротивления r.

Спиновый эффект Холла

По аналогии с обычным эффектом Холла возможен так называемый спиновый эффект Холла, заключающийся в возникновении потока спина, перпендикулярного электрическому току. На электроны с противоположным спином действуют силы, отклоняющие их в противоположных направлениях, что приводит к накоплению спинов на краях образца в отсутствие внешнего магнитного поля (рис.б). Этот эффект был предсказан отечественными учеными М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем в 1971 году, и их многолетние поиски, наконец, увенчались успехом осенью этого года (Лаборатория Дэвида Ошэлэма (Awschalom) Калифорнийский Университет в Санта-Барбаре) .

Физический механизм спинового эффекта Холла заключается в зависимости направления рассеяния электронов на неполяризованной мишени от направления спина вследствие спин-орбитального взаимодействия. Спин-орбитальное взаимодействие приводит к тому, что электроны со спином «вверх» рассеиваются влево, а электроны со спином «вниз» — вправо по ходу движения. Одним из следствий этой асимметрии рассеяния является аномальный эффект Холла, возникающий в ферромагнитных материалах: в таких средах ток электронов спинполяризован, и многократное рассеяние носителей приводит к тому, что электроны отклоняются в перпендикулярном к приложенному напряжению направлении, создавая заряды противоположных знаков на боковых гранях образца. В парамагнитном материале тот же самый механизм будет приводить к рассеянию электронов со спином «вверх» и «вниз» в различных направлениях. Так как количество тех и других электронов в парамагнитном материале одинаково, то накопление спиновой поляризации на боковых гранях пластинки не будет сопровождаться накоплением зарядов. Если теперь соединить боковые грани пластинки вторым проводником, то по нему должен потечь спиновый ток, вызванный неравновесной концентрацией спинов (рис.7).

Этот ток может быть обнаружен по электрическому напряжению, возникающему между боковыми гранями второго проводника, вследствие аномального эффекта Холла. Магнитное поле, приложенное в плоскости пластин, должно приводить к прецессии спинов и подавлению спинового эффекта Холла, в том случае если период прецессии спина станет меньше, чем время спиновой релаксации. Такая схема эксперимента по обнаружению спинового эффекта Холла была предложена в работе, однако, экспериментаторами из Калифорнийского Университета был выбран другой способ детектирования неравновесной концентрации спина — с помощью магнитооптического эффекта Керра .

Наличие неравновесной спиновой концентрации на границах проводника приводит к возникновению спинового тока по второму проводнику в направлении перпендикулярном электрическому току jx.

Эксперименты проводились на серии образцов, выполненных из пленок n-GaAs и n-In0.07Ga0.93As толщиной в 2 мкм и выращенных на подложке из GaAs. На рисунке 8а) показаны геометрические размеры образца. Детектирование неравновесной спиновой поляризации проводилось с помощью оптического зонда: сфокусированного луча лазера (размер пятна ~ 1мкм). Спиновая плотность определялась по углу вращения плоскости поляризации отраженного света вследствие магнитооптического эффекта Керра. При нормальном падении света детектируется составляющая спина перпендикулярная плоскости пластины.

а) б).

Рис. 8 а) геометрические размеры образца, на котором проводилось наблюдение; б) распределение спиновой плотности в пластинке (вид сверху).

Эксперименты показали, что на левом и правом краях пластинки происходит накопление спинов противоположной полярности (рис.8). Спиновая плотность спадает по мере удаления от краев (рис.9). Приложение внешнего магнитного поля в плоскости пластины приводит к подавлению спиновой поляризации вследствие прецессии спинов (рис.10).

Наблюдаемые особенности явления:

• 1) спиновая поляризация, перпендикулярная плоскости пластины ,
• 2) противоположная ориентация спинов на краях образца ,
• 3) подавление эффекта в магнитном поле, параллельном плоскости пластины, говорят о том, что в экспериментах группы Ошэлэма наблюдался именно спиновый эффект Холла.

Рис. 9 Зависимость угла вращения поляризации света (величина пропорциональная спиновой плотности) от координаты в направлении перпендикулярном току (ось х на рис. 3 а)

Рис. 10 Зависимость угла керровского вращения (величина пропорциональная спиновой плотности) от магнитного поля в плоскости пластины

Спиновый эффект Холла может найти широкое применение в новой бурно развивающейся области микроэлектроники — спинтронике, использующей транспортные свойства спинполяризованных электронов.