Page 33 - Spin Transport and Spintronics

1.3 การส่งผ่านสปินและประจุของอิเล็กตรอน 34

ในกรณีที่ค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีมีความเบี่ยงเบนจากค่าที่สภาวะสมดุลเล็กน้อย ค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีจะ

สามารถพิจารณาได้จากความหนาแน่นของอิเล็กตรอนส่วนเกินต่อความหนาแน่นทางสถานะที่ระดับ
พลังงานเฟอร์มิ (N(E F )) ดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้ [16]

n − n eq (1.13)
µ ch =
N(E F )
โดยการสะสมสปินคือค่าความเบี่ยงเบนของความหนาแน่นของสปินจากค่าที่สภาวะสมดุลและสามารถ

อธิบายได้ด้วยแบบจำลองสองกระแสดังนี้

↓
↑
↑
↓
m = n − n eq = (n − n ) − (n − n ) (1.14)
eq eq
โดย m คือการสะสมสปิน
n eq เป็นจำนวนของสปินที่สภาวะสมดุลหรือที่ชั้นบัลค์

n ↑(↓) คือความหนาแน่นของสปินขึ้น (สปินลง)

จากความสัมพันธ์ดังแสดงในสมการที่ (1.13) และ (1.14) พบว่าการสะสมสปินมีค่าแปรผันตรง

กับค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีซึ่งพิจารณาได้จากความแตกต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าเคมีของสปินขึ้นและสปินลง
m ∝ µ = µ − µ ดังนั้นการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของการสะสมสปินต่อตำแหน่งจึงถูกนำมาใช้ใน
↓
↑
การอธิบายการเปลี่ยนแปลงของศักย์เคมีจากการป้อนกระแสไฟฟ้าผ่านโครงสร้างวัสดุ

ในการพิจารณาศักย์ไฟฟ้าเคมีในโครงสร้างวัสดุ FM/NM สามารถทำได้โดยป้อนอิเล็กตรอน
ตัวนำเข้าสู่ชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โร FM ซึ่งจะทำให้เกิดกระแสสปินโพลาไรซ์เนื่องจากปฎิสัมพันธ์

แลกเปลี่ยน s-d ระหว่างสปินของอิเล็กตรอนกับแมกนีไทเซชันในชั้นวัสดุ สปินของอิเล็กตรอนตัวนำ

ที่เคลื่อนที่ไหลเข้ามายังชั้นวัสดุ FM มีแนวโน้มที่จะจัดเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกันกับความหนาแน่น
ทางสถานะของสปินส่วนมากภายในชั้นวัสดุซึ่งเป็นสปินขึ้น ทำให้ค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีสำหรับสปินขึ้น (µ ↑)

และสปินลง (µ ↓) ที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในโครงสร้างวัสดุจะมีค่าที่แตกต่างกันดังแสดงในรูปที่ 1.7 จาก

นั้นกระแสสปินโพลาไรซ์ที่มีจำนวนของสปินขึ้นมากกว่าสปินลงจะเคลื่อนที่ไหลผ่านบริเวณรอยต่อ
ระหว่างชั้นวัสดุ FM/NM ไปยังชั้นวัสดุ NM โดยในบริเวณรอยต่อจะมีความไม่ต่อเนื่องของศักย์ไฟฟ้า

เคมี ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของจำนวนสปินและศักย์ไฟฟ้าเคมีจะมีค่าลดลงตาม

ระยะการกลับทิศทางของสปิน (spin-flip length) ของวัสดุนั้นๆ สังเกตได้จากกระแสสปินโพลาไรซ์ซึ่ง

จะมีค่าคงที่และสูงสุดภายในชั้นแม่เหล็กเฟอร์โร จากนั้นจะมีค่าค่อยๆ ลดลงในบริเวณรอยต่อและมีค่า
เข้าใกล้ศูนย์ภายในชั้นวัสดุนอนแมกเนตที่ความหนาของชั้นฟิล์มซึ่งมีค่ามากกว่าระยะการกลับทิศทาง

ของสปินเ เนื่องจากวัสดุนอนแมกเนตมีความหนาแน่นสถานะของสปินขึ้นและสปินลงที่ระดับพลังงาน

เฟอร์มิที่เท่ากัน โดยศักย์ไฟฟ้าเคมีรวมสามารถพิจารณาได้จากผลรวมของศักย์ไฟฟ้าเคมีของสปินทั้ง

สองช่อง (µ = µ ↑ + µ ↓) เมื่อพิจารณาค่าการสะสมสปินจากค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีพบว่า ที่ตำแหน่งห่าง