(a) Klassisk halleffekt: en elektrisk strøm båret av elektroner med spinn i begge retninger (opp og ned) bøyes av når et magnetisk felt H er til stede. Dette fører til en oppsamling av elektrisk ladning langs kanten til materialet, noe som i sin tur skaper en målbar elektrisk spenning. (b) Spinnhalleffekt: når spinnbanekobling er til stede i et materiale, vil en elektrisk strøm bøyes av til venstre eller høyre avhengig av hvilket spinn ladningsbærerne har. Den elektriske strømmen fører dermed til en oppsamling av spinn langs kantene til materialet. (c) Omvendt spinnhalleffekt: når en spinnstrøm sendes inn i materialet, vil elektronene bøyes av til samme side, og dermed skape en elektrisk spenning som følge av den oppsamlede ladningen langs kanten til materialet. En spinnstrøm består av at spinn-opp-elektroner beveger seg i én retning mens spinn-ned-elektroner beveger seg i motsatt retning, som vist i figuren. Dermed er netto ladningsstrøm lik null.

Illustrasjon av halleffekt og spinnhalleffekt. av Jacob Linder. CC BY SA 3.0

Spinnhalleffekten består i at en elektrisk strøm som sendes inn i et materiale fører til en oppsamling av spinn på kantene til materialet.

Den omvendte spinnhalleffekten består i at en spinnstrøm som sendes inn et materiale fører til en oppsamling av elektrisk ladning på kantene til materialet.

Effekten er praktisk anvendbar i faststoff-fysikk, da den muliggjør eksperimentell måling av spinnpolariserte strømmer

Spinnhalleffekten er en type halleffekt som avhenger av spinnet til ladningsbærerne. Den klassiske halleffekten er uavhengig av spinn og består i at en elektrisk strøm som går igjennom et materiale med et påtrykt magnetisk felt vil gi opphav til en elektrisk spenning på tvers av materialet. Dette kommer av den magnetiske Lorentzkraften, som gjør at elektronene i strømmen bøyer av til siden slik at ladning samler seg opp langs kanten til materialet. Halleffekten vises i figur a.

I spinnhalleffekten bøyes elektronene av til motsatt side avhengig av om de har et elektronspinn som peker opp eller ned. Årsaken til dette er en type vekselvirkning som kalles spinnbanekobling, og som altså er en forutsetning for at spinnhalleffekten skal eksistere. Spinnbanekoblingen, som gir opphav til en slik spinnavhengig avbøyning av elektronene, eksisterer blant annet i tynne filmer av materialer, for eksempel todimensjonale elektrongasser. 

Spinnhalleffekten er illustrert i figur b, som viser hvordan en innkommende elektrisk strøm med spinn-opp- og spinn-ned-elektroner spres til hver sin side, slik at spinn samler seg opp langs kanten til materialet.

Den omvendte spinnhalleffekten består i at ladning samler seg opp langs kanten til materialet når en spinnstrøm, istedet for en ladningsstrøm, injiseres i materialet. Denne effekten krever også tilstedeværelsen av spinnbanekobling og vises i figur c. 

En spinnstrøm består av at spinn-opp-elektroner beveger seg i én retning, mens spinn-ned-elektroner beveger seg i motsatt retning. På den måten transporteres spinn, men det er ingen netto forflytning av elektrisk ladning, siden like mange elektroner går i en gitt retning som i motsatt retning.

I motsetning til den vanlige halleffekten, krever ikke spinnhalleffekten at et magnetisk felt er til stede. I stedet er det nødvendig med spinnbanekobling, som enten kommer fra selve geometrien til materialstrukturen eller fra spredning av elektroner på urenheter i materialet.

Spinnhalleffekten og den omvendte spinnhalleffekten ble først teoretisk beskrevet av de russiske fysikerne Mikhail Dyakonov og Vladimir Perel i 1971. Effekten ble først eksperimentelt observert mer enn 30 år etter prediksjonen.

Den viktigste nåværende applikasjonen av spinnhalleffekten er at den gjør det mulig å eksperimentelt detektere tilstedeværelsen av en spinnstrøm. Dette skjer ved den såkalt omvendte spinnhalleffekten, hvor en spinnstrøm blir konvertert til en ladningsstrøm som i sin tur skaper en elektrisk spenning som enkelt kan måles.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.