Page 32 - Spin Transport and Spintronics

1.3 การส่งผ่านสปินและประจุของอิเล็กตรอน 33

จากการศึกษาในเชิงทฤษฎีและการทดลองพบว่าเมื่อทำการป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าสู่โครงสร้าง

วัสดุ FM/NM จะสามารถศึกษาพฤติกรรมการส่งผ่านสปินที่เกิดขึ้นในโครงสร้างวัสดุผ่านปริมาณทาง
ฟิสิกส์สองค่าได้แก่ การสะสมสปิน (spin accumulation) และกระแสสปิน (spin current) [7, 8]

ซึ่งนิยามและจุดกำเนิดของปริมาณทั้งสองสามารถอธิบายได้จากสมการกระแสลอยเลื่อนและการแพร่

(drift-diffusion equation) ดังรายละเอียดต่อไปนี้

1.3.1 การสะสมสปิน

การสะสมสปิน (spin accumulation) เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่สำคัญที่ใช้ในการอธิบายการส่ง

ผ่านสปินภายในโครงสร้างวัสดุ ซึ่งเป็นผลต่างระหว่างความหนาแน่นของจำนวนสปินขึ้นและสปินลง

เมื่อทำการป้อนกระแสไฟฟ้าจากภายนอกเข้าสู่โครงสร้างวัสดุจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความ

หนาแน่นของจำนวนสปินขึ้นและสปินลง และนำไปสู่การเกิดปรากฏการณ์ค่าความต้านทานเชิงแม่
เหล็กและการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน การสะสมสปินถูกศึกษาเชิงทฤษฎีครั้งแรกในปี ค. ศ.

1976 โดย A.G. Aronov [9] และมีการศึกษาเชิงการทดลองในเวลาต่อมาโดย M. Johnson และ R.H.

Silsbee [10] การศึกษาดังกล่าวเป็นการศึกษาในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรที่ประกบติดกับวัสดุ
นอนแมก-เนต (FM/NM) โดยทั่วไปความหนาแน่นทางสถานะสำหรับสปินขึ้นและสปินลงของวัสดุ FM

ที่ระดับพลังงานเฟอร์มิจะมีค่าที่แตกต่างกัน ในขณะที่ความหนาแน่นทางสถานะสำหรับสปินขึ้นและ

สปินลงของวัสดุ NM จะมีค่าที่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อนำวัสดุทั้งสองชนิดมาสร้างเป็นโครงสร้างวัสดุสอง
ชั้นจึงทำให้ความหนาแน่นทางสถานะสำหรับสปินขึ้นและสปินลงที่บริเวณรอยต่อเกิดการเปลี่ยนแปลง

หรือเกิดการแยกชั้นของระดับพลังงาน Mott ได้นำเสนอวิธีการพิจารณาค่าการสะสมสปินที่เกิดขึ้นที่

ตำแหน่งต่างๆ ของโครงสร้างวัสดุด้วยแบบจำลองสองกระแส (two-current model) ซึ่งหาได้จากค่า

ความนำไฟฟ้าของสปินขึ้นและสปินลง [11–13] จากนั้น Fert และ Campbell ได้นำแบบจำลองสอง
กระแสของ Mott ไปใช้ในการอธิบายพฤติกรรมการส่งผ่านสปินในวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โร [14]

การอธิบายจุดกำเนิดของการสะสมสปินสามารถทำได้โดยอาศัยแบบจำลองสองกระแส [15]

ผ่านค่าศักย์ไฟฟ้าเคมี (elctrochemical potential หรือ µ) ซึ่งเป็นปริมาณที่มีความสัมพันธ์กับการ
กระจายตัวของจำนวนสปินขึ้นและสปินลงดังสมการต่อไปนี้

µ = µ ch − eV (1.12)

เมื่อ e คือค่าสัมบูรณ์ของประจุอิเล็กตรอน

V คือค่าศักย์ไฟฟ้า

µ คือค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีซึ่งเป็นพลังงานที่ต้องการใช้ในการเพิ่มอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเข้าสู่ระบบ
ch
และเป็นการอธิบายค่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน