spinorbitvuorovaikutus

Spinorbitvuorovaikutus on relativistisen kvanttifysiikan ilmiö, jossa elektronin spini ja sen orbitalinen liike (kulmamäärä) vaikuttavat toisiinsa sähköisen potentiaalin gradientin vaikutuksesta. Käytännössä liike- tai magneettinen kenttä, jonka elektronin todistaa sähkövarauksensa ympärillä, vuorovaikuttaa elektronin spinin kanssa. Tämä johtaa energiamuutoksiin, joita kutsutaan hienorakenteeksi energianjakautumaksi.

Spinorbitvuorovaikutus voidaan nähdä kahdella tasolla: atomitasolla ja kiinteäaineissa. Atomeissa se voidaan johtaa L·S-kytkentään, jossa elektronin orbitalinen momentti L ja spini S muodostavat kokonaismomentin J. Tämä aiheuttaa elektronikuorien energiatasojen jakautumista esimerkiksi raskaampien alkuaineiden elektronikuorissa. Vuorovaikutus kasvaa, kun ydinlähestymistapa on vahva ja sähköpotentiaalin gradientti on suuri, joten raskaammissa alkuaineissa hienorakenne on huomattavasti selkeämpi.

Kiinteissä aineissa spinorbitvuorovaikutus johtaa monenlaisiin vaikutuksiin: elektronien energian haarautuminen ns. käänteinen kytkentä (band splitting) ja spinnin tekstuurit kiinteän aineen bandien energiamည်းreen. Erityisesti Rashba- ja Dresselhaus-tyyppiset vaikutukset sekä spin-momentum locking ovat tärkeitä topologisissa aineissa, joissa vuorovaikutus voi johtaa suojattuihin reiteihin ja topologisiin tiloihin. Spin Hall -vaikutus ja spinorakenteisen vuorovaikutuksen aiheuttamat magnetoottorit ovat keskeisiä spintronniikassa, jossa pyritään hallitsemaan spinin lisäksi varautuneen virran kulkua.

Spinorbitvuorovaikutuksella on siis sekä perustavaa tutkimusta että teknisiä sovelluksia, kuten magnetisen materiaalin anisoinnin hallinta, spininjohdon luonteet ja huippuluokan elektronisten ominaisuuksien suunnittelu kiinteissä aineissa.

---