วิชาการ.คอม - Spin Hall effect ถูกตรวจพบที่อุณหภูมิห้อง

Spin Hall effect ถูกตรวจพบที่อุณหภูมิห้อง

โพสต์เมื่อ: 22:49 วันที่ 17 ก.ย. 2549 ชมแล้ว: 38,604 ตอบแล้ว: 1

นักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกาเป็นกลุ่มแรกที่ตรวจวัด spin Hall effect ที่อุณหภูมิห้องได้ จากการค้นพบนี้ คาดว่ามันจะช่วยในการพัฒนาหาแหล่งของอิเล็กตรอนที่สปินชี้ไปทิศเดียวกัน (spin polarized) สำหรับอุปกรณ์สปินทรอนิกส์

เดวิด ออชลอม (David Awschalom) และผู้ร่วมงาน แห่งศูนย์สปินทรอนิกส์และการคำนวณ มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย เมืองซานตาบาบารา มลรัฐแคลิฟอร์เนีย สังเกตพบการเกิด ‘สปินโพลาไรซ์’ ของอิเล็กตรอน (นั่นคือการที่อิเล็กตรอนส่วนใหญ่ในบริเวณเดียวกันชี้ไปในทิศหนึ่งทิศใด ไม่ได้ชี้ไปทุกทิศทุกทางแบบสุ่ม) จากการเหนี่ยวนำโดยกระแสไฟฟ้า ในแผ่นบางของ ซิงค์-เซเลไนด์ (ZnSe) ปรากฏการณ์นี้ รู้จักกันในชื่อ spin Hall effect

ที่น่าสนใจคือ ปรากฏการณ์ spin Hall effect นี้ ถูกตรวจพบในช่วงอุณหภูมิจาก 10 ถึง 295 เคลวิน (หรือประมาณ –263 ถึง 22 oC ) โดยใช้วิธีการที่เรียกว่า Kerr rotation (KR) spectroscopy

จาก ‘ฮอลล์’ ถึง ‘ฮอลล์แบบสปิน’

ปรากฏการณ์ฮอลล์ หรือ Hall effect แบบดั้งเดิม (ซึ่งถูกค้นพบโดยเอ็ดวิน ฮอลล์ (Edwin Hall) ในปี ค. ศ. 1879) เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก หากกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กมีทิศทางตั้งฉากกัน แรงลอเรนซ์ (Lorentz force) จะเบนทิศทางของอิเล็กตรอน และทำให้เกิดประจุไฟฟ้าที่ด้านหนึ่งของตัวนำ จากการสะสมของอิเล็กตรอน ในอีกทางหนึ่ง ปรากฏการณ์นี้ได้ทำให้เกิดความต่างศักย์ ที่เรียกว่า Hall voltage คร่อมตัวนำดังกล่าว ในทิศทางตั้งฉากกับทั้งกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ในปัจจุบัน 127 ปีหลังการค้นพบของ เอ็ดวิน ฮอลล์ ปรากฏการณ์ฮอลล์และการประยุกต์ใช้ของมันก็ยังเป็นสิ่งที่น่าสนใจสำหรับการวิจัยอยู่ อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการสังเกตพบปรากฏการณ์ที่มีลักษณะคล้ายคลึงกัน แต่ต่างกันที่มูลเหตุแห่งปรากฏการณ์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า spin Hall effect

จริง ๆ แล้ว ปรากฏการณ์ spin Hall effect ถูกทำนายไว้แล้วตั้งแต่ปี ค.ศ. 1971 แต่เพิ่งสามารถตรวจวัดได้เมื่อเร็ว ๆ นี้เอง ปรากฏการณ์เกี่ยวเนื่องกับผลที่เกิดจากสัมพัทธภาพพิเศษ ที่เรียกว่า spin-orbit coupling อันทำให้เกิดการสะสมของอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามกันที่แต่ละข้างของตัวนำ นั่นคือเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลในวัสดุตัวนำที่บาง อิเล็กตรอนที่มีสปิน “up” จะมีแนวโน้มไหลเบน (ในทิศทางตั้งฉากกับกระแสไฟฟ้า) ไปข้างหนึ่ง และอิเล็กตรอนที่มีสปิน “down” เบนไปอีกข้าง โดยไม่ต้องอาศัยสนามแม่เหล็กที่ให้จากภายนอก ซึ่งแตกต่างจากปรากฏการณ์ฮอลล์ดั้งเดิม

ตรวจพบที่อุณหภูมิห้อง

Spin Hall effect ถูกสังเกตพบครั้งแรกใน GaAs ที่อุณหภูมิ 20 เคลวิน (ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำถึง 253 oC) โดยออชลอมและ ยูอิชิโร กาโตะ (Yuichiro Kato) ในปี ค. ศ. 2004 โดยใช้เทคนิก Kerr rotation เมื่อวัสดุถูกฉายด้วยลำเลเซอร์ที่มีโพลาไรชันเส้นตรง (linear polarization) นั่นคือระนาบของการกระเพื่อมของสนามไฟฟ้า (หรือสนามแม่เหล็ก) อยู่บนระนาบเดิมตลอดการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า บริเวณไหนที่มีอิเล็กตรอน ‘สปินโพลาไรซ์’ สะสมรวมกันอยู่ จะสะท้อนลำเลเซอร์ที่มีโพลาไรเซชันแบบหมุนออกมา นี่เป็นกระบวนการที่เรียกว่า Kerr rotation

ผลที่ได้สามารถเอาไปใช้ในเทคโนโลยีสปินทรอนิกส์ที่กำลังเติบโต โดยที่สปินของอิเล็กตรอน (นอกเหนือจากประจุ) จะถูกเอาไปใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์ตรรกกะ (อาจอธิบายง่าย ๆ คร่าว ๆ ว่า แทนที่ใช้ศักย์ไฟฟ้าแทน 0 และ1 ก็ใช้ “spin up” กับ “spin down” แทน) ปรากฏการณ์ spin Hall effect สามารถให้แหล่งอิเล็กตรอนที่สปินโพลาไรซ์ ในการใส่เข้าไปสู่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่เทคโนโลยีสปินทรอนิกส์ อิเล็กตรอนเหล่านั้นบรรจุข้อมูลตามสถานะ (up หรือ down) ของสปินของพวกมัน

ตามคำกล่าวอ้างของออชลอม ข้อดีในการประยุกต์ในสปินทรอนิกส์ของ spin Hall effect ก็คือเราไม่ต้องให้สนามแม่เหล็กเข้าไปหรือใช้วัสดุแม่เหล็กใด ๆ เลย ในการทำให้เกิดหรือแยก spin ในอุปกรณ์

ในการทดลองนี้ spin Hall effect ถูกสังเกตพบในฟิล์มบาง (หนา 1.5 ไมโครเมตร) ของวัสดุกึ่งตัวนำ ZnSe ในช่วงอุณหภูมิจาก 10 ถึง 295 เคลวิน นักวิจัยสังเกตพบว่า ณ อุณหภูมิที่สูงกว่า ปรากฏการณ์ spin Hall effect ที่เกิดขึ้นจะมีน้อยลง นั่นคือการสะสมของอิเล็กตรอนที่มีสปินแบบเดียวกันที่แต่ละขอบลดลง ซึ่งทำให้ spin polarization ที่เกิดขึ้นที่บริเวณนั้นมีความแรงลดลง (นั่นเท่ากับว่าความเป็นแม่เหล็กที่แต่ละขอบก็ลดลงด้วย) ความแรงของ สปินโพลาไรเซชันที่ขอบของแผ่นฟิล์มบางที่อุณหภูมิ 20 เคลวินเป็น 10 เท่าของ ที่อุณหภูมิห้อง

นักวิจัยกำลังพยายามหาหนทางเพิ่มความแรงของสปินโพลาไรเซชันไปสู่ระดับที่เกือบทุกอิเล็กตรอนมีสปินชี้ไปในทิศทางเดียวกันหมด ในการทดลองในสารกึ่งตัวนำ แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ก่อนหน้านี้ อิเล็กตรอนเพียงหนึ่งตัวในหมื่นตัวเป็นมีความ สปินโพลาไรซ์ อันเกิดจาก spin Hall effect

แหล่งข้อมูลและเอกสารอ้างอิง

- ข่าวจาก Physicsweb
http://www.physicsweb.org/articles/news/10/9/5/1

เอกพงษ์

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 82 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 155 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

ยังไม่มีความเห็นเพิ่มเติม

ความเห็นเพิ่มเติม วิชาการ.คอม

ชื่อ / email:
ข้อความ

รูปภาพ หรือ ไฟล์

กรุณาล๊อกอินก่อน เพื่อโพสต์รูปภาพ และ ใช้ LaTex ค่ะ สมัครสมาชิกฟรีตลอดชีพที่นี่

ตัวช่วย 1: CafeCode วิธีการใช้
ตัวช่วย 2: VSmilies

วิธีการใช้
ตัวช่วย 3: พจนานุกรมไทย ออนไลน์ ฉบับราชบัณฑิต
ตัวช่วย 4 : dictionary ไทย<=>อังกฤษ ออนไลน์ จาก NECTEC
ตัวช่วย 5 : ดาวน์โหลด โปรแกรมช่วยพิมพ์ Latex เพื่อแสดงสมการบนวิชาการ.คอม