[科普中国]-你知道自旋也有霍尔效应吗？

自旋电子学（图片来源：Bart van Wees）

自旋电子学的到来

半导体、晶体管以及集成电路作为20世纪的重大发明，使得电子学的发展发生质变，同时也为微电子学的发展奠定了基础。这些都是利用了电子电荷的这一特性。

随着技术的进一步发展，电子电荷量子效应和热效应带来的负面影响也暴露出了很多问题，人们开始关注电子的另一个重要特征——自旋。

自旋概念的提出要追溯到1925年，莱顿大学的George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit在发表的德文文章中提出自旋。近30多年来与自旋相关的电子学得到了极大发展并且发展了很多新的分支，如自旋电子学或磁电子学等。

从巨磁电阻（2007年诺贝尔奖）到隧道结磁电阻，再到庞磁电阻，自旋动量矩转移以及自旋轨道力矩等，与自旋相关的物理迎来了广阔的前景，其中自旋霍尔效应也占有重要地位。

自旋霍尔效应的原理

自旋霍尔效应简单说来就是在横向电场的作用下，纵向产生自旋流的效应。这是由于自旋轨道的相互作用使电荷流和自旋流产生耦合（自旋和轨道间的耦合作用会对不同自旋的电子产生不同的偏转作用），从而导致了自旋霍尔效应。

实验上，当在某一具有强的自旋轨道耦合作用的材料中，纵向方向通过未极化的电流时，在横向方向将会产生纯自旋流，同时需要强调的是，纵（横）向方向没有净电荷的积累。

首次预言的自旋霍尔效应实验观测（图片来源：参考文献[1]）

自旋霍尔效应的历史

1971年6月，人们对比反常霍尔效应，在理论上预言了自旋霍尔效应。他们认为，反常霍尔效应是极化的电流被非对称散射，同时也应该存在着非极化的电流被非对称散射的现象存在，但这之后很长一段时间都没有得到人们的注意。

直到1999年，科学家们引入了自旋霍尔效应这一概念，其中提到电流通过顺磁金属时横向方向可以产生自旋霍尔电压，相似地，当自旋流通过时，在横向方向也会产生霍尔电压。

同时，Hirsch提出了一种新的实验方法来观测自旋霍尔效应。如图1所示，存在一种特殊结构的器件，在下层导体中通过电流，利用自旋霍尔效应产生自旋流，让所产生的自旋流注入到相邻的上层导体中，最后在上层导体中利用逆自旋霍尔效应产生电压进行检测。所谓的逆自旋霍尔效应，即自旋流转换为电流。

在2000年，人们基于自旋积累可以通过铁磁体探测而提出了另一个实验的方案来观测自旋霍尔效应。随后，更多的理论工作者对于自旋霍尔效应的物理本质进行了更加深入的研究。

实验上第一次观测到自旋霍尔效应是在2004年，人们同时在半导体中分别利用磁光克尔效应和自旋发光二极管观测到了自旋霍尔效应。Kato等利用磁光克尔效应在半导体GaAs的两个不同边缘观察到了极化方向相反的自旋，Wunderlich等利用自旋发光二极管同样在不同的界面观察到了相反极化方向的自旋，如图2所示。

上图代表用磁光克尔方法观察自旋霍尔效应，下图代表在自旋发光二级管中观测到的自旋霍尔效应（图片来源：参考文献[5]）

参考文献

[1] G.E. Uhlenbeck , S. Goudsmit. Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons. Naturwissenschaften 13, 953-954 (1925).

[2] J H. Christenson ？ ？ Possibility of orienting electron spins with current. Phys. Rev. Lett. 25, 3l6 (1970).

[3] J.E.Hirsch, Spin hall effect. Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999).

[4] S.Zhang, Spin Hall effect in the presence of spin diffusion. Phys. Rev. Lett. 85, 393 (2000).

[5] Y.K.Kato, R.C.Myers, A.C.Gossard, Observation of the spin Hall effect in semiconductors. Science 306, 1910-1913 (2004).

[6] J.Wunderlich , B.Kaestner , J.Sinova , Experimental observation of the spin-Hall effect in a two-dimensional spin-orbit coupled semiconductor system. Phys. Rev. Lett. 94, 047204 (2005).