SpinHallEffekt

Der SpinHallEffekt ist ein Transportphänomen in Nichtmagnetischen Leitern mit Spin-Bahn-Wechselwirkung, bei dem ein longitudinaler Ladungsstrom zu einer transversalen Verteilung von Elektrenspins führt. In der Praxis sammelt sich dadurch am Materialrand eine Spinakkumulation an, während sich ein transversaler Spinstrom ergibt. Das Gegenstück ist der inverse Spin Hall Effekt, bei dem ein Spinstrom einen transversalen Ladungsstrom erzeugt.

Der Spin Hall Effect lässt sich in intrinsische und extrinsische Beiträge gliedern. Der intrinsische Effekt beruht auf der Bandstruktur und der Berry-Krümmung, die zu einer spinabhängigen Bahnfugung führt. Der extrinsische Effekt entsteht durch spinabhängige Streuung an Verunreinigungen, insbesondere Skew-Scattering und Side Jump.

Die Größe des Effekts wird durch den Spin-Hall-Winkel beschrieben, das Verhältnis des transversalen Spinflusses zum longitudinalen Ladungsfluss. Experimentell nachgewiesen wird der Effekt unter anderem durch Kerr-Rotation, durch nichtlokale Spintransportmessungen in lateral angeordneten Strukturen sowie durch Nachweis der Randakkumulation.

Materialien mit großem Spin Hall Effect sind schwere Metalle wie Pt, Ta und W; auch Topologische Isolatoren sowie dopierte Halbleiter und Graphen in Kombination mit starken Spin-Orbit-Wechselwirkungen zeigen Signale.

Anwendungen liegen im Feld der Spintronik, insbesondere bei Magnetisierungsswitching durch Spin-Orbit-Torques (SOT) in MRAM-ähnlichen Bausteinen. Historisch ging dem Spin Hall Effekt die Vorhersage durch Dyakonov und Perel (1971) voraus; die erste experimentelle Beobachtung erfolgte in Halbleitern um 2004–2005 (Kato u. a.; Sih). In Metallen wurden die Effekte später umfassend bestätigt.