自旋流

自旋流即设自旋朝上的电子和自旋朝下的电子以相同的平均速度反向运动，两种流的绝对值相等， 方向相反，因而没有净电荷的流动, ，只有自旋的流动。

半导体中纯自旋流的探测自旋电子学是利用电子的自旋而非电子的电荷作为信息载体而发展的物理和电子器件研究的分支领域。半导体中自旋流的测量在自旋电子学中起关键作用。从自旋流的基本性质出发，简要回顾了国际上探测自旋流的实验手段，以及提出的有关自旋流的光学效应和以此直接测量半导体中纯自旋流的理论。1

自旋流的基本性质自旋流与电流主要存在两点区别。第一，电流在时间反演下改变流动方向，而自旋流在时间反演下保持不变，因为还有自旋。这一性质决定了自旋流是低耗散的，甚至是无耗散的。所有的物理微观方程都是时间反演对称的，而固体中几乎所有的输运过程中破坏时间反演对称性的物理根源来自于与环境耦合所导致的耗散。这一点可以从有阻尼的谐振子运动方程来理解。能量耗散来源于破坏时间反演对称性的阻尼项，运动方程在时间反演下不变，谐振子能量守恒。第二，自旋流传输角动量，且角动量是一个赝矢量。这个特点允许自旋流可在半导体结构中传输信息，就像在光学集成网络中可以通过光的极化状态来传递信息一样。

必须指出，由于量子体系中的自旋-轨道耦合，所定义的自旋流与电流不同，不是一个守恒量。电流守恒是由于体系存在对称性，而自旋流并不对应某一连续对称性，由此引起对于自旋流定义的争论。事实上，表明自旋流确是一个可直接测量的物理量。1

自旋流的探测方法自旋流的探测始于极化的自旋流的测量。所谓极化的自旋流，是指自旋向上的流与自旋向下的流不完全抵消，因而磁化不等于零。因此，可用传统的磁光效应通过测磁化，如法拉第(Faraday)旋转或克尔(Kerr)效应，来探测极化的自旋流。纯自旋流，既没有净磁化，也没有净电流。如何测量这样一种流确实是一个问题。有不同的实验组分别成功地探测了纯自旋流。主要基于以下两种方法。一是通过光学方法探测界面附近的自旋极化，间接探测自旋流，这是因为对于有限体系，体内自旋流在界面处中断而转化为界面的自旋累积; 二是反自旋霍尔效应可将自旋流转化为界面处电荷的不平衡，从而通过电学测量间接探测自旋流。1

1 光学测量

对于有限尺寸体系，体内产生的纯自旋流到边界处必须为零。因此在边界附近衰减的自旋流必然伴随着自旋弛豫，也即边界处形成自旋累积和有限的自旋扩散长度。自旋累积和自旋流通过扩散达到平衡。自旋散射使得瞬态纯自旋流在实空间产生自旋极化的改变，另外用一束探测光通过测量激子复合发光来探测自旋在空间的分布，以及随入射光相位差的变化，从而间接测量自旋流。

2 电学测量

Tinkham 研究组于 2006 年成功地用电学方法探测了纯自旋流。极化的自旋由铁磁电极通过磁隧穿注入到介观铝条，导致铝条中自旋向上和自旋向下的电子的化学势劈裂以及沿铝条方向非均匀分布，注入的极化自旋在铝条中扩散，在扩散长度内形成自旋流。由自旋相关杂质散射，自旋流中不同自旋取向的电子被散射到铝条横向不同的边缘; 又由于不同自旋取向的电子数不等，横向的自旋累积不平衡也导致电荷累积不平衡，即霍尔电压。这就是反自旋霍尔效应。1

自旋流的光学效应与直接测量所有的实验探测都是将纯自旋流转化成其他信号，从而间接测量了纯自旋流。一个有趣而很基本的问题是: 能不能直接测量纯自旋流?不妨先考虑一个更基本的问题: 究竟什么样的物理量能测量? 物理上，一个具有所有对称性的的物体和空无一物并无区别，也无法测量。对称破缺或“有缺陷”的物理现象则必有可观测到的效应。例如，一个点电荷在自由空间引入一个“点缺陷”，破坏了平移对称性，产生可测的电场。一个电流圈在自由空间引入一个“环缺陷”，产生可测的磁场。这是因为，若整个系统具有所有的对称性，描述它的作用量或哈密尔顿量必然在所有的对称变换下保持不变，也就是说，它是一个标量; 若有一个流造成某种对称性破缺，则必有一个相应的流与之耦合以恢复对称性。这一耦合的流即可作为那个破坏对称性的流的探针。20 世纪六七十年代，这一原理在描述粒子物理中的流-流相互作用中不乏应用。1

自旋电子学和自旋流传统的电子学完全忽略了电子自旋，这使在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向。自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础，探讨研发新一代电子产品的可能性。2

自旋流的产生和测量关于自旋流的产生和测量无论在理论方面还是在实验方面都取得了重大的突破。在理论方面，Hirsch重新讨论了自旋霍尔效应，电流基于杂质散射可产生自旋流以及自旋流产生电流的现象。进一步研究发现，破坏反射对称性的能带结构也可产生内禀的自旋霍尔效应。这些效应的讨论为自旋流的测量提供了理论基础和方向。已经有几个实验组用不同的方法成功地完成了自旋流的注入和探测。本文将介绍产生自旋流的方法以及相关的实验结果。这些方法是基于自旋霍尔效应的电注入法，利用铁磁电极的侧向非局域几何注入法，和利用偏振光照射的光注入法。从测量手段来说，主要有光测量和电测量两大类。2

自旋霍尔效应和电注入自旋流自旋霍尔效应提供了一种方便和有效的产生自旋流的方法。当系统加上一个外电场时，由于自旋轨道耦合的作用，一个顺磁体系可以产生一个垂直于电场的自旋流。这个自旋流的极化方向垂直于电场和流向的平面。早期的理论预测的自旋流是由自旋向上和向下的电子受到杂质势的不对称散射而产生的，被称为外在的自旋霍尔效应。研究表明，能带结构本身由于自旋轨道耦合引起的劈裂，在没有杂质散射的情况下，也能产生横向的自旋流，被称为内禀的自旋霍尔效应。这个效应是将电流转化为自旋流。同样的原因，也可将自旋流转化为电流。2

侧面非局域注入自旋流侧面非局域几何结构的自旋注入和探测始于1985年。Johnson和Silsbee利用两个铁磁电极接在铝(Al)条上，自旋极化的电流可以从一个铁磁电极注入，在注入点附近会产生非平衡的自旋积累。由于扩散的原因，自旋积累会逐渐扩散开去，形成自旋分布。自旋积累可通过测量第二个铁磁电极上的电压而推导出来。Jedema等人在薄膜器件中，利用非局域结构，在室温下完成了自旋的注入和探测。相关技术在不同的系统中都得到了应用。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学