Spin-Hall-Effekt

Der Spin-Hall-Effekt ist ein quantenmechanischer Effekt, der in Analogie zum klassischen Hall-Effekt zu sehen ist, aber nicht in Unterschieden der Verteilung elektrischer Ladung quer zur Richtung des elektrischen Stroms führt, sondern zu Unterschieden in der Verteilung der Spin-Ausrichtung der Elektronen.

Wenn ein elektrischer Strom durch einen Festkörper fließt, werden die Elektronen je nach Orientierung ihres Spins (quantenmechanischer Eigendrehimpuls) senkrecht zur Stromrichtung abgelenkt. Es fließt ein Spin-Strom ${\displaystyle j_{s}}$  quer zur elektrischen Stromrichtung, so dass an gegenüberstehenden Seiten die Spins entgegengesetzt polarisiert sind. Mit dem Spinstrom selbst ist keine elektrische Spannung wie beim gewöhnlichen Hall-Effekt verbunden. Der Spin-Strom ist proportional zum elektrischen Feld ${\displaystyle E}$, das die Elektronenbewegung treibt: ${\displaystyle j_{s}=\sigma _{sH}\cdot E}$. Dabei bezeichnet ${\displaystyle \sigma _{sH}\ }$ die Spin-Hall-Leitfähigkeit.

Im Gegensatz zum klassischen Hall-Effekt ist kein externes Magnetfeld erforderlich. Der Effekt beruht auf spinabhängiger Streuung der Elektronen (sog. Mott-Streuung) an Defekten der Probe (extrinsischer Spin-Hall-Effekt). Es gibt aber noch einen zweiten Mechanismus. In Spin-Bahn-gekoppelten Systemen tritt der Spin-Hall-Effekt auch in idealen Systemen auf, die keine Defekte aufweisen (intrinsischer Spin-Hall-Effekt), wie 2003 von zwei Gruppen unabhängig vorhergesagt wurde^[1] (Shoucheng Zhang und Kollegen für p-Typ Halbleiter^[2] und unabhängig von Allan H. MacDonald, Jairo Sinova und Kollegen für n-Typ Halbleiter).^[3]

1. ↑ S. Murakami, Intrinsic Spin Hall Effect, Adv. Solid State Phys., Band 45, 2005, S. 197–209
2. ↑ Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Shou-Cheng Zhang: Dissipationless Quantum Spin Current at Room Temperature. In: Science. Band 301, 2003, S. 1348–1351, doi:10.1126/science.1087128. 
3. ↑ Dimitrie Culcer, Q. Niu, N. A. Sinitsyn, T. Jungwirth, A.H. MacDonald, J. Sinova: Universal Intrinsic Spin-Hall Effect. In: Physical Review Letters. Band 92, Nr. 12, 2004, S. 126603, doi:10.1103/PhysRevLett.92.126603, arxiv:cond-mat/0307663.