Спин-орбитальное взаимодействие

Электрическое поле не действует на спиновый магнитный момент неподвижного заряда. При движении частицы в электрическом поле появляется магнитное поле в системе отсчета частицы за счет преобразования Лоренца. Это поле взаимодействует со спиновым магнитным моментом частицы. Уровень энергии электрона расщепляется, возникают состояния со спином, направленным по- и против магнитного поля. Эффект называется спин-орбитальным взаимодействием (СОВ). Степень расщепления уровня линейно зависит от электрического поля и импульса частицы. СОВ позволяет изменять и контролировать спиновое состояние электрическим полем, которое можно изменять гораздо быстрее магнитного поля потому, что для электрического поля отсутствует явление электромагнитной индукции.

Собственное электрическое поле существует в узкозонном полупроводнике из-за несимметричного распределения зарядов в потенциальной яме, или благодаря примесям и дефектам решетки. В гетероструктуре , напримерAlGaAs/GaAs с двухмерным газом носителей тока, существует СОВ, которое впервые исследовал Рашба в 1960 г. В полупроводниках время и длина спиновой фазовой когерентности и спиновой релаксации достигают ~1 нс и ~100 мкм, что существенно больше, чем у металла. Малый размер устройств наноэлектроники, баллистическое движение зарядов приводят к интерференции спиновых токов. При низкой концентрации электронов можно пренебречь взаимным влиянием зарядов и использовать одноэлектронное приближение. Гамильтониан заряда записывается в приближении эффективной массы. Получаемые результаты применяются в спинтронике, использующей для преобразования и контроля информации не только заряд, но и спин электрона. На основе СОВ созданы источники спин-поляризованного тока из немагнитных полупроводников.

Эммануил Иосифович Рашба

Гамильтониан спин-орбитального взаимодействия. В лабораторной системе отсчета имеется однородное электрическое поле . Электрон со скоростьюдвижется перпендикулярно, как показано на рис.a. В собственной системе отсчета электрона источники поля , показанные на рис.а, двигаются со скоростью и создают электрическое и магнитное поляи, показанные на рис.б. Направление связано со скоростью движения этих зарядовправилом правого винта. Для полей используемпреобразование Лоренца

, ,,,

где знаки иобозначают продольные и поперечные ксоставляющие полей.

а б

Электрон в лабораторной (а) и

в собственной (б) системах отсчета

В рассматриваемом случае ,при малой скоростиполучаем

, (8.38)

где μ – эффективная масса заряда. Возникающее магнитное поле направлено перпендикулярно электрическому полю и скорости заряда, и удовлетворяет правилу правой руки – четыре пальца направляем по скорости заряда, силовые линии электрического поля входят в ладонь, отставленный большой палец показывает направление магнитного поля.

Поле действует на спиновый магнитный момент электрона