Розбиття спіну-орбітальної взаємодії Рашке в 2D електронній газіві

Походження: асиметрія структурної інверсії та спіноробоча взаємодія

Ефект Рашба є специфічним проявом спіноробочої взаємодії – релятивістичного зв’язку між спіном електрона та його орбітальним рухом через електричне поле. У власному спокійному кадрі електрона, статичне електричне поле E у лабораторному кадрі, завдяки перетворенню Лоренца, з'являється як комбінація електричного та магнітного полів; цей ефективний магнітний компонент взаємодіє зі спіном через звичайну взаємодію Зеемана. Для двохвимірної електронної газу, утримуваного асиметричним потенціалом, таким як на межі між напівпровідниками, де напрямок утримуючих електричних полів переважно спрямований вздовж напрямку зростання z, цей механізм створює термін спіноробочої взаємодії пропорційний (σ × k), де k – кристалічний імпульс електрона в площині, а σ – Паулі спинні матриці. Ключовим є те, що цей термін Рашба вимагає асиметрії структурної інверсії, тобто потенціальний ями само по собі не має дзеркальної симетрії вздовж напрямку зростання, що відрізняє його від пов’язаного з цим терміну Дрешау, який виникає за рахунок внутрішньої асиметрії інверсії у кристалічної структури матеріалів без центру інверсії симетрії, таких як GaAs. У справжніх гетероструктурах одночасно присутні обидва терміни Рашба та Дрешау і взаємодіють між собою, створюючи анізотропні спінові текстури та, у певних збалансованих випадках, постійний спіновий хіл, але термін Рашба має особливе технологічне значення, оскільки, на відміну від терміну Дрешау, його можна безперервно регулювати після вирощування матеріалу. Величина коефіцієнта Рашби в даній гетероструктурі також сильно залежить від міцності спіноробочої взаємодії атомів у складі матеріалів, тому вузькозонні тривалентні напівпровідники, такі як InAs та InSb, мають значно більші розбіжності Рашба, ніж ширзонові матеріали, такі як GaAs, для порівняно невеликої ступеня асиметрії структурної симетрії, оскільки атомний параметр спіноробочої взаємодії входить у виведення ефективного k-точкового-p терму α_R, помножене на фактори структури смуг, які швидко зростають, коли фундаментальна зона відкритості зменшується.

Розподіл зон та обертання в просторі імпульсів

Додавання терму Рашке до вільної електронної аналогії газу 2D, H = ℏ²k²/2m* + α_R(σ × k)·ẑ, дає дві власні лінії, E±(k) = ℏ²k²/2m* ± α_R|k|, що відповідають двом концентричним, але зміщеним параболоїдам у просторі енергії-імпульсу. Замість єдиного мінімуму зони при k=0 розсіяння розвиває характерну форму «мексиканський капелюх» або «верблюд», з фактичним мінімумом енергії зміщеним від центру зони до кільця імпульсів при k0 = m*α_R/ℏ². При будь-якій фіксованій енергії вище цього мінімуму контур постійної енергії складається з двох концентричних кіл різного радіусу, по одному для кожного спінно-розділеного гілок, і на кожному колі електронний обертання повністю знаходиться в площині 2D, орієнтований перпендикулярно до напрямку локального імпульсу, обертаючись навколо кола точно один раз при проходженні кута імпульсу через 360 градусів. Ця хиральна, моментум-заблокована структура обертання означає, що електрон не може змінити напрямок імпульсу без одночасного повороту свого спіну, зв’язок, який є основою практично всіх запропонованих пристроїв на основі Рашке. Дві концентричні Фермі-циркульові лінії при заданій енергії Фермі також відрізняються площею, що вкривається, що безпосередньо використовується у візерунках ударів, спостережуваних у коливаннях Шобникова-де Газа магніторезистивності, історично один із основних методів експериментального вилучення величини розщеплення Рашке в напівпровідникових гетероструктурах. Варто зазначити, що «мексиканський капелюх» також має термодинамічні наслідки: оскільки щільність станів збігається при мінімумі енергії зони в 2D із цим кільцеподібним розродженням, достатньо сильне зв’язування Рашке може помітно вплинути на теплоємність та магнітну сприйнятливість 2D-газу електронів при низьких температурах порівняно з простим параболічним поясом, ефект, який особливо актуальний у вузькозонних квантових свердлах, де ефективна маса невелика і досяжна величина розщеплення Рашке може бути значною часткою енергії Фермі.

Можливість управління воротами: коефіцієнт Рашке як регулювальний елемент

Найбільш технологічно важливу властивість ефекту Рашке полягає в тому, що його міцність, параметризована коефіцієнтом α_R, може бути безперервно налаштована після виготовлення пристрою за допомогою прикладеної перпендикулярної напруги на воротах. Оскільки звязок Рашке залежить від ступеня структурної асиметрії в ув’язнюючому потенціалі та оскільки зовнішній вольтний електрод може безпосередньо змінювати профіль електричного поля через квантову висічку, збільшення або зменшення напруги на воротах змінює α_R приблизно лінійно протягом значного діапазону, як було продемонстровано експериментально Ніттою та співробітниками в гетероструктурах InGaAs/InAlAs і згодом у багатьох інших вузькозонкових напівпровідникових системах, де обертання спіну внутрішньо є природно сильним. Ця електрична, немагнітна регульованість є саме тим, що робить ефект Рашке привабливим порівняно з магнітними підходами до спінтроніки: замість того, щоб вимагати зовнішнього магнітного поля або ферромагнітного контакту для маніпулювання спіном електрона, пристрій на основі Рашке може обертати та контролювати спін лише за допомогою напруги на воротах, сумісний зі стандартними архітектурами транзисторів з полім напругою. Це фізична основа пропозиції Datta-Das 1990 року щодо спін-транзистора кімнатної температури, в якій ін’єкція спін-поляризованих електронів із ферромагнітного джерела відбувається за допомогою налаштування кута обертання за допомогою налаштованої напруги на воротах, коли вони проходять через канал Рашке, що дозволяє електрично перемикати ввімкнення та вимкнення залежно від спін-залежного транспортування з контакту Drain, ранній концептуальний макет для логічних пристроїв на основі спіну. Хоча повністю функціонуючий кімнатної температури транзистор Datta-Das із високим співвідношенням ввімкнення/вимкнення, швидше за все, буде важко реалізувати на практиці, переважно через виклики ефективного інжектування та виявлення спінів через ферромагнітні інтерфейси з напівпровідниками, основна концепція обертання спіну, що контролюється воротами, була експериментально продемонстрована в різних спрощених формах і продовжує мотивувати потодослідження всіх електричних спін-логік та елементів перемикання спінтроніки як потенційного доповнення до технології на основі заряду.

Ефект Rashba в реальних матеріалах: від 2D газів до поверхонь і об’ємних кристалів

Хоча ефект Rashba спочатку був розроблений у контексті квантових країв напівпровідників та гетероструктур, він згодом було виявлено та використано в надзвичайно широкому спектрі фізичних систем. Поверхні металів, зокрема Au(111) і Bi/Ag(111), демонструють одні з найбільших виміряних розбіжностей Rashba завдяки різкій замиканню кристала на поверхні, що створює сильний структурний асиметрія в поєднанні із великим внутрішнім спіновим-орбітальним зв’язком важких елементів, таких як бісміт і золото; ці поверхневі стани регулярно відображаються за допомогою ARPES (розподілена електронна спектроскопія), яка може точно зображувати розщеплені параболічні смуги та їхню спінну структуру. Деякі об’ємні поляризовані напівпровідники без інверсійної симетрії, зокрема BiTeI, демонструють величезний розбіжність Rashba без необхідності будь-якої штучної гетероструктури, оскільки кристалічна структура сама по собі є поліарною вздовж одного осі. Механізм Rashba також є ключовим у фізиці спін-орбітального зв’язку топологічних ізоляторів, де замикання спіну аналогічне текстурі Rashba захищає провідні поверхневі стани від розсіяння назад від не магнітних безладностей, і він відіграє важливу роль у пропозиціях щодо реалізації Мажор’анових нульових мод у нанодротах з півників, що контактують із надпровідниками, де взаємодія між спіновим-орбітальним зв’язком Rashba, зовнішнє магнітне поле та індукована суперопровідність необхідні для відкриття необхідного топологічного провалу. Інтерфейси оксидів також забезпечують ще одну багату платформу: двовимірний електронний газ, що утворюється на межі між поліпровідниками LaAlO3 і SrTiO3, демонструє зв’язок Rashba, який можна регулювати на надзвичайно широкому діапазоні за допомогою зворотного затвора, і оскільки цей інтерфейс також є суперопровідним при низькій температурі, він став активною темою для вивчення взаємодії між регульованим спіновим-орбітальним зв’язком та незвичним суперовіднічуванням в одному згортанні, що контролюється затвором.

Постійний спін-хелікс та взаємодія з ефектом Дресселя

Коли присутні обидва члени Rashba та лінійного ефекту Дресселя з однаковими значеннями, виникає особлива симетрія: об’єднане спінового поля в просторі моменту імпульсу стає спряженим, а не скручується навколо Фермі-зірки, створюючи постійний спін-хелікс. У цьому відлагодженому режимі спін електрона збуджений узгоджено як функція положення вздовж однієї певної кристалічної осі, але при цьому захищений від звичайного розфокусування, викликаного спіновим моментом-орбітальним (розслаблення Д’яконової-Перелеля), яке зазвичай руйнує спінну когерентність у незлагоджених напівпровідникових системах, значно подовжуючи тривалий час і довжини розповсюдження спінів. Це умова було експериментально реалізовано та підтверджено спектроскопією тимчасових спінових сіток у квантових добре GaAs, які були спроектовані для балансування Rashba та Дресселя завдяки ширині квантового доріжки та напрузі затвора. Більш загалом, контроль відносного ваги та взаємодії між членами Rashba та Дресселя, обидва з яких можна теоретично налаштувати через проектування матеріалів, напругу затвора та натяг, дає конструкторам пристроїв додаткову ступінь свободи за межами простого значення розриву Rashba, що дозволяє формувати спінові поля для конкретних функцій спінтроніки, від тривалого зберігання спінів до ефективного перетворення спіну на заряд у спіновому мотузку обертання пристроїв. Крім постійного спін-хелікса, загальна конкуренція між членами Rashba та Дресселя також створює анізотропний коефіцієнт розслаблення спінів в площину, який залежить від напрямку руху електрона відносно кристалічних осей, що підтверджено вимірюваннями оптичної орієнтації та тимчасового обертання Kerr у різних системах квантових доріжок III-V, і ця анізотропія сама по собі була запропонована як інструмент діагностики для отримання відносних значень двох коефіцієнтів без необхідності проведення повного розрахунку електронної структури.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Rashba Spin-Orbit Splitting in a 2D Electron Gas і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.