自旋流

自旋電子學是利用電子的自旋而非電子的電荷作為信息載體而發展的物理和電子器件研究的分支領域。半導體中自旋流的測量在自旋電子學中起關鍵作用。從自旋流的基本性質出發，簡要回顧了國際上探測自旋流的實驗手段，以及提出的有關自旋流的光學效應和以此直接測量半導體中純自旋流的理論。 ^[1] 

自旋流與電流主要存在兩點區別。第一，電流在時間反演下改變流動方向，而自旋流在時間反演下保持不變，因為還有自旋。這一性質決定了自旋流是低耗散的，甚至是無耗散的。所有的物理微觀方程都是時間反演對稱的，而固體中幾乎所有的輸運過程中破壞時間反演對稱性的物理根源來自於與環境耦合所導致的耗散。這一點可以從有阻尼的諧振子運動方程來理解。能量耗散來源於破壞時間反演對稱性的阻尼項，運動方程在時間反演下不變，諧振子能量守恆。第二，自旋流傳輸角動量，且角動量是一個贗矢量。這個特點允許自旋流可在半導體結構中傳輸信息，就像在光學集成網絡中可以通過光的極化狀態來傳遞信息一樣。

必須指出，由於量子體系中的自旋-軌道耦合，所定義的自旋流與電流不同，不是一個守恆量。電流守恆是由於體系存在對稱性，而自旋流並不對應某一連續對稱性，由此引起對於自旋流定義的爭論。事實上，表明自旋流確是一個可直接測量的物理量。 ^[1] 

自旋流的探測始於極化的自旋流的測量。所謂極化的自旋流，是指自旋向上的流與自旋向下的流不完全抵消，因而磁化不等於零。因此，可用傳統的磁光效應通過測磁化，如法拉第(Faraday)旋轉或克爾(Kerr)效應，來探測極化的自旋流。純自旋流，既沒有淨磁化，也沒有淨電流。如何測量這樣一種流確實是一個問題。有不同的實驗組分別成功地探測了純自旋流。主要基於以下兩種方法。一是通過光學方法探測界面附近的自旋極化，間接探測自旋流，這是因為對於有限體系，體內自旋流在界面處中斷而轉化為界面的自旋累積; 二是反自旋霍爾效應可將自旋流轉化為界面處電荷的不平衡，從而通過電學測量間接探測自旋流。 ^[1] 

1 光學測量

對於有限尺寸體系，體內產生的純自旋流到邊界處必須為零。因此在邊界附近衰減的自旋流必然伴隨着自旋弛豫，也即邊界處形成自旋累積和有限的自旋擴散長度。自旋累積和自旋流通過擴散達到平衡。自旋散射使得瞬態純自旋流在實空間產生自旋極化的改變，另外用一束探測光通過測量激子複合發光來探測自旋在空間的分佈，以及隨入射光相位差的變化，從而間接測量自旋流。

2 電學測量

Tinkham 研究組於 2006 年成功地用電學方法探測了純自旋流。極化的自旋由鐵磁電極通過磁隧穿注入到介觀鋁條，導致鋁條中自旋向上和自旋向下的電子的化學勢劈裂以及沿鋁條方向非均勻分佈，注入的極化自旋在鋁條中擴散，在擴散長度內形成自旋流。由自旋相關雜質散射，自旋流中不同自旋取向的電子被散射到鋁條橫向不同的邊緣; 又由於不同自旋取向的電子數不等，橫向的自旋累積不平衡也導致電荷累積不平衡，即霍爾電壓。這就是反自旋霍爾效應。 ^[1] 

所有的實驗探測都是將純自旋流轉化成其他信號，從而間接測量了純自旋流。一個有趣而很基本的問題是: 能不能直接測量純自旋流?不妨先考慮一個更基本的問題: 究竟什麼樣的物理量能測量? 物理上，一個具有所有對稱性的的物體和空無一物並無區別，也無法測量。對稱破缺或“有缺陷”的物理現象則必有可觀測到的效應。例如，一個點電荷在自由空間引入一個“點缺陷”，破壞了平移對稱性，產生可測的電場。一個電流圈在自由空間引入一個“環缺陷”，產生可測的磁場。這是因為，若整個系統具有所有的對稱性，描述它的作用量或哈密爾頓量必然在所有的對稱變換下保持不變，也就是説，它是一個標量; 若有一個流造成某種對稱性破缺，則必有一個相應的流與之耦合以恢復對稱性。這一耦合的流即可作為那個破壞對稱性的流的探針。20 世紀六七十年代，這一原理在描述粒子物理中的流-流相互作用中不乏應用。 ^[1] 

傳統的電子學完全忽略了電子自旋，這使在探索未來半導體工業發展時有了新的契機和可能的研究方向。自旋電子學旨在利用電子自旋而非傳統的電子電荷為基礎，探討研發新一代電子產品的可能性。 ^[2] 

關於自旋流的產生和測量無論在理論方面還是在實驗方面都取得了重大的突破。在理論方面，Hirsch重新討論了自旋霍爾效應，電流基於雜質散射可產生自旋流以及自旋流產生電流的現象。進一步研究發現，破壞反射對稱性的能帶結構也可產生內稟的自旋霍爾效應。這些效應的討論為自旋流的測量提供了理論基礎和方向。已經有幾個實驗組用不同的方法成功地完成了自旋流的注入和探測。本文將介紹產生自旋流的方法以及相關的實驗結果。這些方法是基於自旋霍爾效應的電注入法，利用鐵磁電極的側向非局域幾何注入法，和利用偏振光照射的光注入法。從測量手段來説，主要有光測量和電測量兩大類。 ^[2] 

自旋霍爾效應提供了一種方便和有效的產生自旋流的方法。當系統加上一個外電場時，由於自旋軌道耦合的作用，一個順磁體系可以產生一個垂直於電場的自旋流。這個自旋流的極化方向垂直於電場和流向的平面。早期的理論預測的自旋流是由自旋向上和向下的電子受到雜質勢的不對稱散射而產生的，被稱為外在的自旋霍爾效應。研究表明，能帶結構本身由於自旋軌道耦合引起的劈裂，在沒有雜質散射的情況下，也能產生橫向的自旋流，被稱為內稟的自旋霍爾效應。這個效應是將電流轉化為自旋流。同樣的原因，也可將自旋流轉化為電流。 ^[2] 

側面非局域幾何結構的自旋注入和探測始於1985年。Johnson和Silsbee利用兩個鐵磁電極接在鋁(Al)條上，自旋極化的電流可以從一個鐵磁電極注入，在注入點附近會產生非平衡的自旋積累。由於擴散的原因，自旋積累會逐漸擴散開去，形成自旋分佈。自旋積累可通過測量第二個鐵磁電極上的電壓而推導出來。Jedema等人在薄膜器件中，利用非局域結構，在室温下完成了自旋的注入和探測。相關技術在不同的系統中都得到了應用。 ^[2]