Спиновый эффект Холла был давно предсказан теоретиками и недавно наблюдался в эксперименте. Для спинового эффекта Холла не требуется внешнее магнитное поле.

Отличают два типа этого эффекта: внутренний и внешний. Внешний эффект возникает в результате анизотропии рассеяния электронов на кулоновских центрах, вызванной спин-орбитальным взаимодействием. При протекании тока электроны со спином вверх относительно плоскости преимущественно рассеиваются направо, а электроны со спином вниз – налево. На боковых краях возникает избыток электронов со спином вверх и со спином вниз аналогично избыточному заряду в обычном эффекте Холла. Внутренний спиновый эффект Холла обусловлен анизотропией движения электронов с различной ориентацией спина в кристалле.

После обнаружения классического спинового эффекта Холла сразу возник вопрос, не существует ли квантовый спиновый эффект Холла (QSHE), аналогичный знаменитому квантовому эффекту Холла (QHE). Возможная аналогия демонстрируется рисунком. В режиме QHE, когда несколько подзон Ландау полностью заполнены, и наблюдается ступенька на холловском токе, вдоль краев структуры течет незатухающий (persistent) зарядовый ток. Отсутствие затухания вызвано тем, что для этого электроны должны перейти в верхние подзоны Ландау, для чего им надо преодолеть энергетический зазор. В режиме QSHE вдоль краев должен возникать незатухающий спиновый ток. Аналогия на этом прекращается, поскольку заряд является квантованной величиной, а проекция спина – величиной непрерывной.

Аналогия между зарядовым и спиновым эффектом Холла. В режиме квантового эффекта Холла (слева) по краям структуры течет незатухающий зарядовый ток. В режиме квантового спинового эффекта Холла (справа) по краям структуры течет незатухающий спиновый ток [1].

Как все-таки можно было бы добиться незатухающего спинового тока? Ведь его существование могло бы оказаться хорошей находкой для спинтроники. Ясно, что этот эффект не может быть обусловлен внешним спиновым эффектом Холла, поскольку рассеяние на примесях неизбежно приводит к диссипации. Одного внутреннего механизма недостаточно, надо обеспечить сохранение спина при протекании спинового тока, чтобы все-таки выйти на аналогию с обычным QHE. Теоретики предложили использовать новое состояние материи – спиновый изолятор.

Это состояние может возникать в результате спин-орбитального взаимодействия, приводящего к возникновению запрещенной зоны. Возможно, переход к такому состоянию происходит в гетероструктурах узкозонных полупроводников, например, CdTe/HgTe/CdTe. В режиме спинового изолятора нижняя зона заполнена электронами только с одной ориентацией спина, а до другой зоны имеется щель.

Зарядовый ток течь не может, а вот спиновый ток – может, причем, незатухающий. В недавнем эксперименте König et al. (Universität Würzburg) [2] удалось наблюдать некоторые намеки на существование спинового изолятора и рассмотренных краевых состояний в спиновом эффекте Холла.

Автор – В. Вьюрков

• 1. N. Nagaosa, Science 318, 758 (2007)
• 2. N. Nagaosa, Science 318, 758 (2007)