Электродипольный спиновой резонанс

редактировать

Электродипольный спиновой резонанс (EDSR ) - это метод управления магнитные моменты внутри материала с использованием квантово-механических эффектов, таких как спин-орбитальное взаимодействие. В основном, EDSR позволяет менять ориентацию магнитных моментов за счет использования электромагнитного излучения на резонансных частотах. EDSR был впервые предложен Эммануэлем Рашбой.

Компьютерное оборудование использует заряд электрона в транзисторах для обработки информации и магнитного момента электрона или спина для магнитных запоминающих устройств. Возникающая область спинтроники направлена ​​на объединение операций этих подсистем. Для достижения этой цели спин электрона должен управляться электрическими полями. EDSR позволяет использовать электрическую составляющую полей переменного тока для управления как зарядом, так и вращением.

Содержание
  • 1 Введение
    • 1.1 Связь электронного спина с электрическими полями в атомах
    • 1.2 Основные механизмы в кристаллах
  • 2 Теория
    • 2.1 Упрощенная теория и физический механизм
  • 3 Неоднородное зеемановское взаимодействие механизм
  • 4 Эксперимент
  • 5 Приложения
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература
Введение

Свободные электроны обладают электрическим зарядом e {\ displaystyle e}е и магнитный момент μ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ mu}}}{\ полужирный символ {\ mu}} , абсолютное значение которого составляет примерно один магнетон Бора μ B {\ displaystyle \ mu _ {\ rm {B}}}{\ displaystyle \ mu _ {\ rm {B}}} .

Стандартный электронный спиновой резонанс, также известный как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), возникает из-за связь магнитного момента электрона с внешним магнитным полем B {\ displaystyle \ mathbf {B}}\ mathbf {B} через гамильтониан H = - μ ⋅ B {\ displaystyle H = - {\ boldsymbol {\ mu}} \ cdot {\ boldsymbol {B}}}{\ displaystyle H = - {\ boldsymbol {\ mu}} \ cdot {\ boldsymbol {B}}} с описанием его Larmor p спад. Магнитный момент связан с угловым моментом электрона S {\ displaystyle \ mathbf {S}}\ mathbf {S} как μ = - g μ BS / ℏ {\ displaystyle { \ boldsymbol {\ mu}} = - g {\ mu _ {\ rm {B}}} \ mathbf {S} / \ hbar}{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ mu}} = - g {\ mu _ {\ rm {B}}} \ mathbf {S} / \ hbar} , где g {\ displaystyle g}g - g-фактор, а ℏ {\ displaystyle \ hbar}\ hbar - уменьшенная постоянная Планка. Для свободного электрона в вакууме g ≈ 2 {\ displaystyle g \ приблизительно 2}g \ приблизительно 2 . Поскольку электрон является частицей со спином ½, оператор спина может принимать только два значения: S = ± ℏ / 2 {\ displaystyle \ mathbf {S} = \ pm \ hbar / 2}{\ displaystyle \ mathbf {S} = \ pm \ hbar / 2} . Итак, ларморовское взаимодействие квантовало уровни энергии в не зависящем от времени магнитном поле, поскольку энергия равна ± 1 2 г μ BB {\ displaystyle \ pm {\ tfrac {1} {2}} g \ mu _ { \ rm {B}} B}{\ displaystyle \ pm {\ tfrac {1} {2}} g \ mu _ {\ rm {B}} B} . Таким же образом, в резонансном магнитном поле переменного тока B ~ (t) {\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {B}}} (t)}{\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {B}}} (t)} на частоте ω S = g μ BB / ℏ {\ displaystyle \ omega _ {S} = g \ mu _ {\ rm {B}} B / \ hbar}{\ displaystyle \ omega _ {S} = g \ mu _ {\ rm {B}} B / \ hbar} , вызывает электронный парамагнитный резонанс, то есть сигнал сильно поглощается на этой частоте, поскольку он производит переходы между значениями спина.

Связь электронного спина с электрическими полями в атомах

В атомах электронная орбиталь и спиновая динамика связаны с электрическим полем протонов в атомном ядре согласно уравнению Дирака. Электрон, движущийся в статическом электрическом поле E {\ displaystyle {\ boldsymbol {E}}}\ boldsymbol {E} , видит, согласно преобразованиям Лоренца из специальной теории относительности, дополнительное магнитное поле B ≈ (v / c) E {\ displaystyle B \ приблизительно (v / c) E}{\ displaystyle B \ приблизительно (v / c) E} в электронной системе отсчета. Однако для медленных электронов с v / c ≪ 1 {\ displaystyle v / c \ ll 1}v / c \ ll 1 это поле слабое, и эффект невелик. Это взаимодействие известно как спин-орбитальное взаимодействие и дает поправки к атомным энергиям примерно на порядок постоянной тонкой структуры в квадрате α 2 {\ displaystyle \ alpha ^ {2}}\ alpha ^ {2} , где α = e 2 / ℏ c ≈ 1/137 {\ displaystyle \ alpha = e ^ {2} / \ hbar c \ приблизительно 1 / 137}{\ displaystyle \ alpha = e ^ {2} / \ hbar c \ приблизительно 1/137} . Однако эта константа появляется в сочетании с атомным номером Z {\ displaystyle Z}Z как Z α {\ displaystyle Z \ alpha}{\ displaystyle Z \ alpha} , и этот продукт больше для массивных атомов, уже порядка единицы в середине периодической таблицы. Это усиление связи между орбитальной и спиновой динамикой в ​​массивных атомах происходит из-за сильного притяжения к ядру и больших скоростей электронов. Хотя ожидается, что этот механизм будет связывать спин электрона с электрической составляющей электромагнитных полей, такой эффект, вероятно, никогда не наблюдался в атомной спектроскопии.

Основные механизмы в кристаллах

Наиболее важно, спин- орбитальное взаимодействие в атомах переводится в спин-орбитальное взаимодействие в кристаллах. Он становится важной частью зонной структуры их энергетического спектра. Отношение спин-орбитального расщепления полос к запрещенной зоне становится параметром, оценивающим эффект спин-орбитального взаимодействия, и обычно оно увеличивается, порядка единицы, для материалов с тяжелыми ионы или с определенной асимметрией.

В результате даже медленные электроны в твердых телах испытывают сильную спин-орбитальную связь. Это означает, что гамильтониан электрона в кристалле включает связь между электроном импульс кристалла k = p / ℏ {\ displaystyle \ mathbf {k} = \ mathbf {p} / \ hbar }{\ displaystyle \ mathbf {k} = \ mathbf {p} / \ hbar} и спин электрона. Связь с внешним электрическим полем можно найти, подставив импульс в кинетическую энергию как k → k - (e / ℏ c) A {\ displaystyle \ mathbf {k} \ rightarrow \ mathbf {k} - ( e / \ hbar c) \ mathbf {A}}{\ displaystyle \ mathbf {k} \ rightarrow \ mathbf {k} - (е / \ hbar c) \ mathbf {A}} , где A {\ displaystyle \ mathbf {A}}\ mathbf {A} - векторный магнитный потенциал, как этого требует калибровочная инвариантность электромагнетизма. Замена известна как замена Пайерлса. Таким образом, электрическое поле E = - 1 c ∂ A / ∂ t {\ textstyle \ mathbf {E} = - {\ frac {1} {c}} \ partial \ mathbf {A} / \ partial t}{\ textstyle \ mathbf {E} = - {\ frac {1} {c}} \ partial \ mathbf {A} / \ partial t } становится связанным со спином электрона, и его манипуляции могут приводить к переходам между значениями спина.

Теория

Электродипольный спиновой резонанс - это спиновой резонанс электронов, вызываемый резонансным переменным током электрическим полем E ~ {\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf { E}}}}{\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {E}}} } . Поскольку длина Комптона λ C = ℏ / mc ≈ 4 × 10 - 11 см {\ displaystyle \ lambda _ {\ rm {C}} = \ hbar / mc \ приблизительно 4 \ times 10 ^ {- 11} \ mathrm {cm}}{\ displaystyle \ lambda _ {\ rm {C}} = \ HBAR / MC \ приблизительно 4 \ times 10 ^ {-11} \ mathrm {cm}} , входя в магнетон Бора μ B = e λ C / 2 {\ displaystyle \ mu _ {\ rm {B}} = e \ lambda _ {\ rm {C}} / 2}{\ displaystyle \ mu _ {\ rm {B}} = e \ lambda _ {\ rm {C}} / 2} и управление связью электронного спина с переменным магнитным полем B ~ {\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {B}}}}{ \ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {B}}}} , намного короче, чем все характерные длины физики твердого тела, EDSR может быть на порядки сильнее, чем EPR, управляемый магнитным полем переменного тока. EDSR обычно является самым сильным в материалах без центра инверсии, где двукратное вырождение энергетического спектра снимается, а симметричные по времени гамильтонианы включают произведения связанных со спином матриц Паули σ {\ displaystyle {\ полужирный символ {\ sigma}}}{\ boldsymbol {\ sigma}} , как S = (ℏ / 2) σ {\ displaystyle \ mathbf {S} = (\ hbar / 2) \ mathbf {\ sigma}}{\ displaystyle \ mathbf {S} = (\ hbar / 2) \ mathbf {\ sigma}} и нечетные степени импульса кристалла k {\ displaystyle \ mathbf {k}}\ mathbf {k} . В таких случаях спин электрона связан с вектор-потенциалом A ~ {\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {A}}}}{\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {A}}}} электромагнитного поля. Примечательно, что EDSR на свободных электронах может наблюдаться не только на частоте спинового резонанса ω S {\ displaystyle \ omega _ {S}}\ omega _ { S} , но и в его линейных комбинациях с циклотроном резонанс частота ω C {\ displaystyle \ omega _ {C}}\ omega _ {C} . В узкозонных полупроводниках с центром инверсии EDSR может возникать из-за прямой связи электрического поля E ~ {\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {E}}}}{\ displaystyle {\ tilde {\ mathbf {E}}} } с аномальной координатой r SO {\ displaystyle \ mathbf {r} _ {\ rm {SO}}}{\ displaystyle \ mathbf {r} _ {\ rm {SO}}} .

EDSR допускается как со свободными носителями, так и с электронами, связанными на дефектах. Однако для переходов между сопряженными связанными состояниями Крамерса его интенсивность подавляется фактором ℏ ω S / Δ E {\ displaystyle \ hbar \ omega _ {S} / \ Delta E}\ hbar \ omega _ {S} / \ Delta E где Δ E {\ displaystyle \ Delta E}\ Delta E - это расстояние между соседними уровнями орбитального движения.

Упрощенная теория и физический механизм

Как указано выше, различные механизмы EDSR действуют в разных кристаллах. Механизм его общего высокого КПД иллюстрируется ниже применительно к электронам в прямозонных полупроводниках типа InSb. Если спин-орбитальное расщепление уровней энергии Δ so {\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {so}}}{\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {so}}} сопоставимо с запрещенной зоной EG {\ displaystyle E _ {\ rm {G}}}{\ displaystyle E _ {\ rm {G}}} , эффективная масса электрона m ∗ {\ displaystyle m ^ {*}}m ^ {*} и его g-фактор могут быть оценены в рамках схему Кейна, см. k · p теория возмущений.

m ∗ ≈ ℏ 2 EGP 2, | г | ≈ м 0 п 2 ℏ 2 EG {\ displaystyle m ^ {*} \ приблизительно {\ frac {\ hbar ^ {2} E _ {\ rm {G}}} {P ^ {2}}}, \, \, \, | g | \ приблизительно {\ frac {m_ {0} P ^ {2}} {\ hbar ^ {2} E _ {\ rm {G}}}}}{\ displaystyle m ^ {*} \ приблизительно {\ frac {\ hbar ^ {2} E _ {\ rm {G}}} {P ^ {2}}}, \, \, \, | g | \ приблизительно {\ frac {m_ {0} P ^ {2}} {\ hbar ^ {2} E _ {\ rm {G}}}}} ,

где P ≈ 10 эВ Å {\ displaystyle P \ приблизительно 10 {\ text {eV}} \ mathrm {\ AA}}{\ displaystyle P \ приблизительно 10 {\ text {eV}} \ mathrm {\ AA }} - параметр связи между электроном и валентной зоной, и m 0 {\ displaystyle m_ { 0}}m_{0}- масса электрона в вакууме.

Выбор механизма спин-орбитальной связи на основе аномальной координаты rso {\ displaystyle {{\ boldsymbol {r}} _ {\ rm {so}}}}{\ displaystyle {{\ boldsymbol {r}} _ {\ rm {so}}}} при условии: Δ so ≈ EG {\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {so}} \ приблизительно E_ {G}}{\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {so}} \ приблизительно E_ {G}} , мы имеем

rso ≈ ℏ 2 | г | км 0 EG {\ displaystyle r _ {\ rm {so}} \ приблизительно {\ frac {\ hbar ^ {2} | g | k} {m_ {0} E _ {\ rm {G}}}}}{\ displaystyle r _ {\ rm {so}} \ приблизительно {\ frac {\ hbar ^ {2} | g | k} {m_ {0} E _ {\ rm {G}}}}} ,

где k {\ displaystyle k}k - импульс электронного кристалла. Тогда энергия электрона в электрическом поле переменного тока E ~ {\ displaystyle {\ tilde {E}}}{\ tilde E} равна

U = erso E ~ ≈ e E ~ P 2 EG 2 k ≈ e E ~ ℏ 2 км ∗ EG. {\ displaystyle U = e \; r _ {\ rm {so}} {\ tilde {E}} \ приблизительно e {\ tilde {E}} {\ frac {P ^ {2}} {E _ {\ rm {G }} ^ {2}}} k \ приблизительно e {\ tilde {E}} {\ frac {\ hbar ^ {2} k} {m ^ {*} E _ {\ rm {G}}}}.}{\ displaystyle U = e \; r _ {\ rm {so}} {\ tilde {E}} \ приблизительно e {\ tilde {E}} { \ frac {P ^ {2}} {E _ {\ rm {G}} ^ {2}}} k \ приблизительно e {\ tilde {E}} {\ frac {\ hbar ^ {2} k} {m ^ {*} E _ {\ rm {G}}}}.}

Электрон движется в вакууме со скоростью ℏ k / m 0 {\ displaystyle \ hbar k / m_ {0}}\ hbar k / m_0 в электрическом поле переменного тока E ~ {\ displaystyle { \ tilde {E}}}{\ tilde E} видит, согласно преобразованию Лоренца, эффективное магнитное поле B ~ = v / c E ~ {\ displaystyle {\ tilde {B} } = {v / c} {\ tilde {E}}}{\ tilde B} = {v / c} {\ tilde E} . Его энергия в этом поле

U v = μ BB ~ = e E ~ ℏ 2 км 0 2 c 2, {\ displaystyle U_ {v} = \ mu _ {\ rm {B}} {\ tilde {B} } = e {\ tilde {E}} {\ frac {\ hbar ^ {2} k} {m_ {0} ^ {2} c ^ {2}}},}{\ displaystyle U_ {v} = \ mu _ {\ rm {B}} {\ tilde {B}} = e {\ tilde {E}} {\ гидроразрыва {\ hbar ^ {2} k} {m_ {0} ^ {2} c ^ {2}}},}

Отношение этих энергий

UU v ≈ m 0 m ∗ m 0 c 2 EG {\ displaystyle {\ frac {U} {U_ {v}}} \ приблизительно {\ frac {m_ {0}} {m ^ {*}}} {\ frac {m_ {0} c ^ {2}} {E _ {\ rm {G}}}}}{\ displaystyle {\ frac {U} {U_ {v}}} \ приблизительно {\ frac {m_ {0}} {m ^ {*}}} {\ frac {m_ {0} c ^ {2}} {E _ {\ rm { G}}}}} .

Это выражение явно показывает, откуда происходит преобладание EDSR над электронным парамагнитным резонансом. Числитель m 0 c 2 ≈ 0,5 M e V {\ displaystyle m_ {0} c ^ {2} \ приблизительно 0,5 \ mathrm {МэВ}}{\ displaystyle m_ {0} c ^ { 2} \ приблизительно 0,5 \ mathrm {МэВ}} второго множителя составляет половину Разрыв Дирака, в то время как EG {\ displaystyle E _ {\ rm {G}}}{\ displaystyle E _ {\ rm {G}}} имеет атомный масштаб, EG ≈ {\ displaystyle E _ {\ rm {G}} \ приблизительно}{\ displaystyle E _ {\ rm {G}} \ приблизительно} 1 эВ. Физический механизм усиления основан на том факте, что внутри кристалла электроны движутся в сильном поле ядер, а в середине периодической таблицы продукт Z α {\ displaystyle Z \; \ alpha}{\ displaystyle Z \; \ alpha} атомного номера Z {\ displaystyle Z}Z и постоянной тонкой структуры α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha равно порядка единицы, и именно это произведение играет роль эффективной константы связи, ср. спин-орбитальная связь. Однако следует иметь в виду, что приведенные выше аргументы, основанные на приближении эффективной массы, не применимы к электронам, локализованным в глубоких центрах атомного масштаба. Для них обычно доминирующим механизмом является ЭПР.

Неоднородный механизм связи Зеемана

Вышеупомянутые механизмы спин-орбитальной связи в твердых телах возникли в результате взаимодействия Томаса и парных спиновых матриц σ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ sigma}}}{\ boldsymbol {\ sigma}} в электронный импульс k {\ displaystyle {\ bf {k}}}{\ displaystyle {\ bf {k}}} . Однако взаимодействие Зеемана

HZ (r) = - μ ⋅ B (r) {\ displaystyle H _ {\ rm {Z}} ({\ bf {r}}) = - {\ boldsymbol {\ mu}} \ cdot \ mathbf {B} (\ mathbf {r})}{\ displaystyle H _ {\ rm {Z}} ({\ bf {r}}) = - {\ boldsymbol {\ mu}} \ cdot \ mathbf {B} (\ mathbf {r})}

в неоднородном магнитном поле B (r) {\ displaystyle \ mathbf {B} (\ mathbf {r})}{\ displaystyle \ mathbf {B} (\ mathbf {r})} создает другой механизм спин-орбитального взаимодействия путем связывания матриц Паули σ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ sigma}}}{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ sigma}}} с координатой электрона r {\ displaystyle { \ bf {r}}}{\ displaystyle { \ bf {r}}} . Магнитное поле может быть как макроскопическим неоднородным полем, так и микроскопическим быстро осциллирующим полем внутри ферро- или антиферромагнетиков, изменяющимся в масштабе постоянной решетки.

Эксперимент

EDSR впервые экспериментально наблюдался с помощью свободные носители в антимониде индия (InSb), полупроводнике с сильной спин-орбитальной связью. Наблюдения, проведенные в различных экспериментальных условиях, позволили продемонстрировать и исследовать различные механизмы EDSR. В грязном материале Белл наблюдал подвижно суженную линию EDSR на частоте ω S {\ displaystyle \ omega _ {S}}\ omega _ { S} на фоне широкой полосы циклотронного резонанса.. MacCombe et al. при работе с высококачественным InSb наблюдается изотропный EDSR, управляемый (rso ⋅ E ~) {\ displaystyle (\ mathbf {r} _ {\ rm {so}} \ cdot {\ tilde {\ mathbf {E}}})}{\ displaystyle (\ mathbf {r} _ {\ rm {so}} \ cdot {\ tilde {\ mathbf {E}}})} механизм на комбинационной частоте ω C + ω S {\ displaystyle \ omega _ {\ rm {C}} + \ omega _ {S}}{\ displaystyle \ omega _ {\ rm {C}} + \ omega _ {S}} где ω C {\ displaystyle \ omega _ {\ rm {C}}}{\ displaystyle \ омега _ {\ rm {C}}} - циклотронная частота. Сильно анизотропная полоса EDSR из-за инверсионной асимметрии k 3 {\ displaystyle k ^ {3}}k ^ {3} спин-орбитальная связь Дрессельхауза наблюдалась в InSb на частоте переворота спина ω S { \ displaystyle \ omega _ {S}}\ omega _ { S} , Добровольска и др. Спин-орбитальная связь в n-Ge, проявляющаяся в сильно анизотропном электронном g-факторе, приводит к EDSR за счет нарушения трансляционной симметрии неоднородными электрическими полями, которые смешивают волновые функции разных долин. Инфракрасный EDSR, наблюдаемый в полумагнитном полупроводнике Cd 1 - x {\ displaystyle _ {1-x}}_ {{1-x}} Mnx {\ displaystyle _ {x}}_ {x} Se был приписан спин-орбитальной связи через неоднородное обменное поле. EDSR со свободными и захваченными носителями заряда наблюдался и изучался на большом количестве трехмерных (3D) систем, включая дислокации в Si, элементе с заведомо слабой спин-орбитальной связью. Все описанные выше эксперименты проводились в объеме трехмерных (3D) систем.

Приложения

Основные приложения EDSR ожидаются в квантовых вычислениях и полупроводниковой спинтронике, которые в настоящее время сосредоточены на низкоразмерных системах. Одна из его основных целей - быстрое манипулирование отдельными электронными спинами в нанометровом масштабе, например, в квантовых точках размером около 50 нм. Такие точки могут служить кубитами схем квантовых вычислений. Зависящие от времени магнитные поля практически не могут обращаться к отдельным электронным спинам в таком масштабе, но отдельные спины могут быть хорошо адресованы с помощью зависящих от времени электрических полей, создаваемых затворами наномасштаба. Все основные механизмы EDSR, перечисленные выше, работают в квантовых точках, но в A 3 {\ displaystyle _ {3}}_{3}B5 {\ displaystyle _ {5}}_ {5} также соединяется сверхтонкая связь электронных спинов с ядерными спинами играет важную роль. Для получения быстрых кубитов, управляемых EDSR, необходимы наноструктуры с сильной спин-орбитальной связью. Для спин-орбитальной связи Рашбы

HR = α R (σ xky - σ ykx) {\ displaystyle H _ {\ rm {R}} = \ alpha _ {\ rm {R}} (\ sigma _ {x} k_ {y} - \ sigma _ {y} k_ {x})}{\ displaystyle H _ {\ rm {R}} = \ alpha _ {\ rm {R}} (\ sigma _ {x} k_ {y} - \ sigma _ {y} k_ {x})} ,

сила взаимодействия характеризуется коэффициентом α R {\ displaystyle \ alpha _ {\ rm {R}} }{\ displaystyle \ alpha _ {\ rm {R}}} . В квантовых проволоках InSb величина α R {\ displaystyle \ alpha _ {\ rm {R}}}{\ displaystyle \ alpha _ {\ rm {R}}} атомного масштаба около 1 эВ Å. {\ displaystyle \ mathrm {\ AA}}\ AA уже достигнуто. Другой способ получения быстрых спиновых кубитов на основе квантовых точек, управляемых EDSR, - это использование наномагнетиков, создающих неоднородные магнитные поля.

См. Также
Ссылки
Дополнительная литература
  • Yafet, Y. (1963). «g-факторы и спин-решеточная релаксация электронов проводимости». Физика твердого тела. 14 : 1–98. DOI : 10.1016 / S0081-1947 (08) 60259-3. ISBN 9780126077148. ISSN 0081-1947.
  • Рашба, Е.И.; Шека, В. (1991). «Электродипольные спиновые резонансы». Современные проблемы науки о конденсированных средах. 27 : 131–206. arXiv : 1812.01721. DOI : 10.1016 / B978-0-444-88535-7.50011-X. ISBN 9780444885357. ISSN 0167-7837.
  • G. Л. Бир; Г. Э. Пикус (1975). Симметрия и эффекты деформации в полупроводниках. Нью-Йорк: Вили. ISBN 978-0470073216.
Последняя правка сделана 2021-05-18 11:20:23
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте