spinorbitkoblingen

Spinorbitkoppling, ofta förkortat SOC, är en relativistisk interaktion mellan en partikels spinn och dess orbitalrörelse när den rör sig i ett elektriskt fält. Den beskriver hur spinn och rörelsemoment L kopplas samman genom elektriska fälts effekter i systemets potential. SOC är särskilt viktig i både atomära system och i fasta material, där den påverkar energinivåer och elektronernas spin.

Inom atomfysiken uppstår spinorbitkopplingen när elektronen rör sig i kärnpotentialen V(r). I en relativistisk behandling framträder en spinor- eller L·S-term i Hamiltonianen, vanligtvis skrivs H_so ∝ (1/r dV/dr) L·S. Denna term ger finstruktur-splittring av energinivåer och avgör hur nivåerna delas upp mellan olika totala angularmomentj, j. Storleken ökar kraftigt med kärnladdningen, ungefär som Z4 i hydrogenlika atomer. Thomas-precessionen ger en viktig korrigering som renormaliserar styrkan av spin-orbit-kopplingen.

I kristallina material uppträder spinorbitkoppling när elektronerna färdas genom kristallfältet och upplever ett effektivt magnetfält i sin vilostation. Denna koppling kan beskrivas som H_so ∝ λ(k) L·S i bandstrukturen. Två framträdande former är Rashba-effekten, som uppstår vid strukturell inversionstapi, och Dresselhaus-effekten, som härrör från bulkinversionstapi. SOC leder till spin-momentlåsing och spin-splittring av bandstrukturer utan extern magnetfält.

SOC är centralt för många fenomen och tillämpningar, inklusive magnetisk anisotropi, spinntronik, topologiska insulatorer och spin Hall-effekten. Det kopplar samman fundamentala relativistiska effekter med praktiska egenskaper hos material och atomer.