Spin des électrons
On parle d'effet Hall "classique" pour les électrons habituellement utilisés dans le courant électrique (courant de charges). Mais ça marche aussi pour les courants de spin !
On ne confondra pas avec l'effet Hall quantique qui ne concerne pas le spin, du moins au début...
- L'effet Hall de spin (Spin Hall Effect SHE) est un effet volumique, produit dans une couche métallique, et injectable dans un ferromagnétique adjacent.
- L'effet inverse existe également, c'est l'effet Hall de spin inverse (Inverse Spin Hall Effect ISHE).
Effet Hall de spin
Spin Hall Effect (SHE)
Quand on injecte un courant (de charge) dans un conducteur non magnétique, un courant de spin proportionnel et transverse au courant de charge apparait :
En rouge, sur les bords, l'accumulation de spin.
On constate une accumulation de spin au niveau des interfaces, et si on considère deux interfaces opposées, alors les spins sont opposés. Dans la mesure où le courant injecté n’est pas polarisé, il y a autant d’électrons déviés dans une direction que dans la direction opposée. Le courant de spin ne s’accompagne donc pas d’un courant net de charge.
Les électrons interagissent avec une impureté, un défaut.
Cette diffusion dépendante du spin est due à l’interaction spin-orbite. Quand on entre dans le détail, en plus de l’effet intrinsèque qui découle des propriétés des structures de bandes, il existe deux mécanismes extrinsèques aux abords des impuretés :
- une diffusion asymétrique ou mécanisme de skew-scattering
- un mécanisme de side-jump
- [2009] Anomalous Hall effect / Naoto Nagaosa et al.
Une revue des études expérimentales et théoriques. - Anomalous Hall effect (AHE)
La page du Dr. Vadym Zayets, pas forcément très claire, mais illustrée.
Exemple d'utilisation
Il est possible de modifier la direction d'aimantation d'un ferromagnétique avec le courant de spin :
Effet Hall de spin inverse
Inverse Spin Hall Effect ISHE
Comme son nom l'indique, il s'agit de l'opération inverse : à partir d'un courant de spin, un courant de charge est généré.
Cet effet est utile pour mesurer les courants de spin, via diverses astuces (par exemple via des photons polarisés).
Il existe deux grandes situations, suivant qu'il s'agit d'un ferromagnétique ou un métal non magnétique.
Vous trouverez pas mal de papiers utilisant cet effet, et à chaque fois, c'est difficile à appréhender ─sauf à baigner là-dedans depuis longtemps─, je vous souhaite bien du plaisir.
Effet Hall quantique de spin
Quantum Spin Hall Effect QSHE
Attention : on s'enfonce un cran de plus dans le quantique et le bizarre... Vous êtes prévenus.
Pour commencer, voici un rappel des différents effets Hall, ça ne fera pas de mal :
L'effet Hall anormal se produit dans un ferromagnétique, avec une aimantation spontanée.
L'effet Hall de spin n'a pas besoin de champ magnétique.
Un autre rappel pas inutile est l'effet Hall quantique (parfois aussi appelé effet Hall quantique entier), avec ses plateaux de valeurs précises de résistance Hall qui ne dépendent que de constantes fondamentales (h et e pour rappel), et ne dépend pas de la géométrie.
Et le titre indique "Effet Hall quantique de spin"... Qu'est-ce qui va bien se passer ?
Eh bien on parle plutôt d'état de la matière dans ce cas et ça fait bien dans la conversation. La version simple est de dire qu'avec l'effet Hall tel qu'on l'a vu, les électrons sont triés suivant leur spin, et sous certaines conditions, on retrouve des courants de spin opposés sur les bords. Relisez doucement et j'espère que ça vous en bouche un coin.
Alors ce sera peut-être plus simple avec un dessin :
En haut, les effets Hall classique, anormal et de spin
En bas les versions dites quantiques : on parle de la circulation des électrons.
Il se trouve que ce phénomène existe dans les trois cas, même si on parle plutôt de la version "effet Hall de spin" SHE, plus intéressante car ne réclamant pas de champ magnétique.
Kane et Mele ont proposé que les électrons de conduction soient "triés" en fonction de leur spin, et placés à droite et à gauche. Et ceci en l'absence de champ magnétique et accessoirement de toute brisure de symétrie de renversement du temps. Cette phase a été appelée effet Hall quantique de spin (Quantum Spin Hall Effect QSHE). On a ainsi deux courants de bord avec des spins opposés.
De plus ces états de bord sont stables en présence de perturbations régulières comme le désordre non magnétique. Leur existence est une propriété topologique de la phase : cet QSHE constitue une nouvelle phase topologique à deux dimensions, obtenue en l'absence de tout champ magnétique, à l'opposé de l'effet Hall quantique usuel. Suite à une proposition théorique de Bernevig et al. en 2006, ces états de bords ont été observés peu de temps après dans des puits quantiques HgTe/CdTe par le groupe expérimental de Würzburg par des mesures de conductances à deux terminaux puis six terminaux.
Par la suite, deux groupes théoriques ont montré indépendamment que l’Effet Hall Quantique de Spin possède une remarquable généralisation en 3D sous la forme d’isolants topologiques possédant des états de surface métalliques. L'existence de ces états de surface est à nouveau reliée à des effets d'inversion de bandes résultant d'un fort couplage spin-orbite intrinsèque.
Il existe un second moyen de convertir un courant de charge en courant de spin, c'est l'effet Rashba.