Gibt es einen Spin-Hall-Effekt?

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Amerikanische Physiker fanden erste Anzeichen für die Existenz eines Hall-Effekts beim Elektronenspin.

Santa Barbara (USA) - Wirkt ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter ein, kommt es zur Trennung der Ladungsträger. Bei diesem klassischen Hall-Effekt bestimmt die Ladung die Richtung, in die sich die positiven und negativen Ladungsträger bewegen. Amerikanische Physiker fanden nun Hinweise auf einen analogen Trennungseffekt, bei dem der Spin von Elektronen eine zentrale Rolle spielt. Ihre Beobachtungen eines möglichen "Spin-Hall-Effekts" beschreiben sie im Fachblatt "Science".

"In Analogie zum konventionellen Hall-Effekt wurde vermutet, dass ein Spin-Hall-Effekt in paramagnetischen Systemen aufgrund einer Spin-Orbit-Wechselwirkung auftreten sollte", schreiben David Awschalom und seine Kollegen von der University of Calinia in Santa Barbara. Nach den gängigen Theorien sollte es aufgrund eines Spin-Hall-Effekts zu einer Häufung von Elektronen mit den jeweiligen Spins - "up" oder "down" - an den Kanten eines Halbleiters unter Einfluss eines Magnetfeldes kommen. Genau diese Spin-Akkumulation konnten die Physiker in dünnen Filmen aus Galliumarsenid und Indiumgalliumarsenid messen.

Die Spindichte n _s und die Reflektivität R einer GaAs-Probe in einer zweidimensionalen Darstellung. Gemessen jeweils bei T = 30 K and E = 10 mV/m. (Quelle: Science/Awschalom)

Die rund zwei Mikrometer dünnen GaAs-Schichten untersuchten die Forscher bei minus 250 Grad Celsius mit einem Tieftemperatur-Kerr-Mikroskop. Senkrecht zu diesen Schichten wirkte ein externes Magnetfeld von bis zu 40 Millitesla Stärke mit wechselnder Polung. Mit Laserpulsen (825 nm, 130 µW, 76 Mhz) bestrahlten sie die Probe nahe der Absorptionskante der Halbleiter-Probe. Aus der Rotation der Polarisationsachse der reflektierten Lichtstrahlen können sie auf die Netto-Magnetisierung, verursacht durch die Elektronenspins zurückschließen. In der Tat konnten sie so an den Rändern der Probe je eine Häufung von Spins einer Art feststellen. Ein Ergebnis, in dem sie einen ersten experimentellen Hinweis für den Spin-Hall-Effekt sehen. Auch die Messungen an den nur 500 Nanometer dünnen InGaAs-Schichten zeigten im Prinzip ein ähnliches Verhalten.

So wichtig diese Experimente für die Grundlagenphysik sind, so könnte der Spin-Hall-Effekt sogar konkrete Anwendungen wie der konventionelle Hall-Effekt nach sich ziehen. Bilden Hallsonden das Herzstück von empfindlichen Magnetfeld-Detektoren, denken Awschalom und Kollegen eher an Fortschritte auf dem Gebiet der Spintronik. "Der Spin-Strom und die Spin-Häufung, die durch den Spin-Hall-Effekt induziert werden, könnten für eine gezielte Lenkung spinpolarisierter Ströme genutzt werden."

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Y.K. Kato, R.C. Myers, A.C. Gossard und D.D. Awschalom, Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors, Published online 11. November 2004 (in Science Express Research Articles).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1105514 
• University of California, S. Barbara: 
  http://www.ucsb.edu 
• Dep. Of Physics: 
  http://physics.ucsb.edu/ 
• Hall-Effekt: 
  http://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Effekt 
• Kerr-Mikroskop (pdf-Datei): 
  http://www.wmtech.de/ausstattung/pdf/KerrMikroskop.PDF 
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Weitere Literatur:

• L. Chien, C. W. Westgate, eds., The Hall Effect and Its Applications (Plenum, New York, 1980). 
• R. S. Popovic, Hall Effect Devices (Institute of Physics, Bristol, ed. 2, 2004). 
• J. Sinova et al., Phys. Rev. Lett. 92, 126603 (2004). 
• E. I. Rashba, Phys. Rev. B 68, 241315(R) (2003). 
• J. Schliemann, D. Loss, Phys. Rev. B 69, 165315 (2004). 
• J. Inoue, G. E. W. Bauer, L. W. Molenkamp, Phys. Rev. B 70, 041303(R) (2004). 
• B. A. Bernevig, S. C. Zhang, Spin Splitting and Spin Current in Strained Bulk Semiconductors, Preprint, cond-mat/0408442 (2004).
  http://www.arxiv.org/abs/cond-mat?0408442