Спин электрона, движущегося через полупроводник, может быть причиной искривления его траектории

Исследователи установили, что так называемый спиновый эффект Холла связан со спин-орбитальным взаимодействием между моментом вращения электрона и процессом его движения. Ранние эксперименты демонстрировали этот эффект, когда электроны движутся через некий материал, случайным образом испытывая столкновения. Когда электроны рассеиваются на препятствии, момент вращения (спин) добавляет им импульса в определенную сторону (в зависимости от направления спина), как это происходит при столкновении бильярдных шаров. Однако на основании полученных результатов, ученые-теоретики предположили, что электроны могут проявлять подобную склонность к непрямолинейному распространению даже в тех материалах, через которые они путешествуют свободно, практически без рассеяния.

Для поиска этого эффекта на практике группе из University of Kansas (США) требовалось получить информацию о движении электрона через металл на таком коротком промежутке времени, чтобы в течение него частица не испытывала столкновений.

В рамках эксперимента команда рассматривала электроны, помещенные в объем арсенида галлия. Вначале они использовали лазер для формирования двух идентичных пучков электронов, путешествующих в противоположных направлениях со спинами, направленными в противоположные стороны. Вместе эти два потока формировали чистый спиновый ток – перенос спина (углового момента вращения), но не заряда. Согласно теории спинового эффекта Холла, такой ток должен был вызвать небольшой поток заряда в поперечном направлении (иногда это явление называется «обратным» спиновым эффектом Холла), т.к. два противоположных потока электронов должны искривиться в одном и том же направлении. К примеру, если потоки электронов направлены на восток и запад и искривление обоих потоков происходит в северном направлении, то небольшой поток заряда будет наблюдаться в направлении севера. Для наблюдения этого эффекта команда использовала второй лазер. Они смогли зафиксировать искривление пути примерно на 0.1 нм за время порядка 0.1 пикосекунд.

Чтобы проверить, был ли обнаруженный эффект вызван рассеянием электронов, ученые измерили, как быстро первоначальный спиновый ток исчезает в процессе рассеяния. Измерения дали неожиданный результат: полное исчезновение тока происходит за 0.45 пикосекунды; таким образом, поперечный ток наблюдается еще до того, как электрон может испытать множественные столкновения с атомами среды. Т.е. перпендикулярный ток не мог быть вызван рассеянием.

Подробно результаты работы приведены в статье в журнале Physical Review Letters. Ученые отмечают, что они продемонстрировали первый в мире прямой эксперимент по измерению обратного спинового эффекта Холла на временах, меньших, чем промежутки между отдельными столкновениями электронов с атомами среды. По мнению коллег, это существенный вклад в понимание поведения электронов на более длительных промежутках времени в крупных устройствах, ведь в среднем в полупроводнике электроны покрывают от 10 до 100 нм между отдельными соударениями; а устройства сегодняшнего дня могут достигать характерных размеров 50 нм. Впереди рубеж в 20 нм. Таким образом, исследованный эффект со временем будет играть все более важную роль.