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Spinstrom induziert Ladungsstrom-Wirbel in Rashba System: Neue Option für spintronische Bauelemente?

Stromwirbel (gelb) erzeugt durch die Injektion eines Spinstromes (grün) aus der Spitze einer Quantenspinkette.

Die gegenseitige Umwandlung von Spin- und Ladungsfreiheitsgraden ist eine der zentralen Herausforderungen der Spintronik. In diesem Zusammenhang weithin bekannt ist der Spin-Hall-Effekt (und seine Umkehrung). Hier generiert  ein Ladungsstrom einen transversalen Spinstrom, wobei die Spinasymmetrie der Leitungselektronen infolge der Spin-Bahn-Kopplung zum tragen kommt und die
Drehimpuls-Erhaltung verletzt ist.

Wissenschaftler der AG Komplexe Quantensysteme Greifswald, des japanischen RIKEN Clusters für “Pioneering Research” und des Kavli Instituts der Chinesischen Akademie der Wissenschaften schlagen nun eine neue Möglichkeit der Spin-Ladung-Konversion vor, bei der der totale Drehimpuls erhalten bleibt. Hierzu wird ein Spinstrom, getragen von den elementaren Spinon-Anregungen einer antiferromagnetischen Spin-1/2 Heisenberg-Kette, punktförmig und mit senkrechter Polarisation zur Ebene in ein zweidimensionales Elektronengas mit Rashba-Kopplung eingespeist. Der injizierte Spin wird dabei  vorrangig in den Bahndrehimpuls eines Strom-Wirbels konvertiert der über das vom Ladungsstrom induzierte Magnetfeld in Raster-Tunnel-Spektroskopie Experimenten detektiert werden kann und  Potential für zukünftige Spintronik-Anwendungen besitzt.

Das zugrundeliegende theoretische Modell wurde mit Hilfe der (zeitabhängigen) Dichte-Matrix Renormierungsgruppe
(numerisch) exakt gelöst. Die Ergebnisse sind in den renommierten Physical Review Letters vorgestellt. Eine ergänzende Untersuchung zur Spin-Ladungskonvektion findet sich in den APL Materials.

Orginalveröffentlichungen:

Florian Lange, Satoshi Ejima, Junji Fujimoto, Tomonori Shirakawa, Holger Fehske, Seiji Yunoki, and Sadamichi Maekawa, “Generation of current vortex by spin current in Rashba systems”,
Phys. Rev. Lett. 126, 157202    (2021)

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.157202

Junji Fujimoto,  Florian Lange, Satoshi Ejima, Tomonori Shirakawa, Holger Fehske, Seiji Yunoki, and Sadamichi Maekawa, “Spin-charge conversion and current vortex in spin-orbit coupled systems”,
APL Mater. 9, 060904  (2021)

URL: https://doi.org/10.1063/5.0049882

Ansprechpartner:
Florian Lange, Satoshi Ejima, Holger Fehske
AG Komplexe Quantensysteme
Institut für Physik der Universität Greifswald

https://physik.uni-greifswald.de/arbeitsgruppen/ag-fehske/


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