Spinorbitkytkös

Spinorbitkytkös (engl. spin-orbit coupling, SOC) on vuorovaikutus, jossa elektronin spini ja sen liikkuvan orbitalisen liikkeen momentit ovat kytkettyjä toisiinsa. Se on relativistinen korjaus, joka ilmenee, kun elektronin liikkeen kokema sähköinen potentiaali (esimerkiksi ydin- tai kristallikenttä) tarkastellaan sen lepomassaan nähden. Yleisimpiin muotoihin liittyy H_so = (1/(2 m^2 c^2)) (1/r) (dV/dr) L · S, jossa m on elektronin massa, c valon nopeus, V(r) potentiaali, L orbitalinen momentti ja S spini. Tämä termi sitoo spinin ja orbitalisen liikkeen, vaikuttaen erityisesti energiarakenteisiin.

Atomitasolla spinorbitkytkös aiheuttaa hienon rakenteen energialinjoihin: sanotusti elektroneja energiaerot riippuvat suuresti L ja S kvanttilukujen yhdistelmästä. Hienon rakenteen suuruus kasvaa noin Z:n neljänteen potenssiin (Z on ydinvarauksellinen protoniluku), mikä tekee SOC:sta erityisen huomattavan raskaissa atomeissa ja raskaissa epäjalometalleissa. Tämä vaikuttaa spektroskopisiin siirtymiin ja aineiden tulkintaan.

Kiteissä spinorbitkytkös muuttaa olennaisesti elektronien bandirakennetta. Relativistinen efekti voi nostaa tai laskea kaskadiaenergian tasoja, repiä spini degeneroituneja alueita ja luoda kääntyneitä spintäytteitä. Inversiota rikkovan rakenteen tapauksessa voi ilmetä voimakas spinnin jakautuminen (Rashba-tyyppinen efektI), kun taas kideinvertion rikkomisella (Dresselhaus-tyyppinen efektI) on oma tunnusomaisuutensa. SOC on keskeinen tekijä topologisten aineiden, spinonhaltujen pintajärjestelmien ja spintroniikan ilmiöissä, kuten spinnin Hall- ja kvanttispin-Hall-ilmiöissä.

SOC:n vaikutus on laajasti tunnustettu sekä atomien että kiinteäntoimielisten materiaalien tutkimuksessa, ja se on johtanut uusien materiaalien ja teknologioiden kehitykseen sekä perus- että soveltavalla tasolla.