自旋霍尔效应之简介 - 台大物理系.PDF

自旋霍爾效應之簡介 Introduction of spin-Hall effect metal linear nanowires 王律堯 國立交通大學電子物理系 摘要： 自 旋電子學一直是現代科 學與工業應用相當重視的一個 領域 ，利用操控電子自旋 可 以對新一代的元件發展 以及儲存技術有重 大的突破；在 半導體材料中 ，電 子自旋軌 道耦合提供一個可能的方 式讓我們可 以操控電子自旋的傳輸行為 ，而其中很重要的一 個現象就是「自旋 霍爾效應 」，它提供一個簡單的物理 機制去利用縱向的電流 去產生 橫向的自 旋流 ，我們這邊討論的內稟自旋霍爾效 應是由 半導體材料中的自旋軌 道耦合 所 造成的現象 ，希望藉此可以讓 我們對於操控電子自旋有更近一步的認識 。 一、前言： 許 多應用已經 被實現 ，例 如 ：應用在磁碟 一般元件的應用是利用材料中電荷 儲 存 、記 憶體 等 ；將來甚至運用電子自旋 (電子或電洞)相關的 傳輸現象 ,但是隨著 可 以讓量子電腦被實現 1 。 科 學的日新月異 ，人類已經開始利用電子 本文將著重簡 介在半導體材料中的 的 另一個自由 度 ：自 旋 (spin) 。自旋是電 自旋軌道偶合交互作用所引起的自 旋霍 子與生俱 來的一個角動量 ，從解相對論性 爾 效應 ，希望引起讀 者對自旋電 子學的興 的狄拉克方 程式( Dirac’s equation)得到的 趣。 電子波函數很自然就包含電子自旋的部 二、自旋軌 道耦合與自 旋霍爾效應 : 份 ,透過 對電子自旋的操控,也為理論 與 所 謂電子自旋軌道 耦合 (spin-orbit 應用科學開啟另一扇 大門 ，尤其是 Albert coupling)簡稱, SOC，是指電子的「自旋 Fert和 Peter Gruenberg(兩位教授為 2007 角動量 」與 「軌道 角動量 」的 交互作用結 年諾貝爾物理獎得主)發現了巨磁阻 果 。電子在真空中，SOC的交互作用 HSO (GMR)材料 也，讓自旋相關的傳輸現 象開