金属薄膜中的自旋霍尔效应与 Edelstein 效应：从二维到三维

夹在两个绝缘体之间的正常金属薄膜，即使其体材料中的自旋轨道耦合可忽略不计，也可能在金属 - 绝缘体界面附近存在强自旋轨道耦合。在本文中，我们研究了金属薄膜中由界面自旋轨道耦合产生的两个技术上重要且紧密相关的效应。第一个是自旋霍尔效应，即薄膜平面内的电荷电流部分转换为同一平面内的正交自旋电流。第二个是 Edelstein 效应，其中电荷电流产生面内横向自旋极化。与严格的二维 Rashba 系统不同，我们发现即使忽略杂质引起的自旋轨道相互作用并适当考虑“顶点修正”，自旋霍尔电导率仍具有有限值。更值得注意的是，在某种构型下，该有限值变得具有“普适性”。这是自旋轨道耦合在垂直于薄膜平面的第三维上空间依赖性的直接结果。非零的自旋霍尔电导率对 Edelstein 效应产生了深远影响，我们表明该效应由两项组成：第一项具有严格二维 Rashba 系统中的标准形式，第二项源于第三维的存在。标准项与动量弛豫时间成正比，而新项则与自旋弛豫时间成比例。尽管我们的结果是在特定模型中推导得出的，但只要存在空间依赖的 Rashba 自旋轨道耦合且电子运动并非严格二维，这些结果应具有相当普遍的适用性。