xii
Contents
2 Basic Elements of Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1
Spin Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2
Spin Filter Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 What Is Spin Filter Effect? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Physical Interpretation of Spin Asymmetry ‘A’ . . . . . . . 25
2.2.3 Spin Detection Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3
Spin Generation and Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 What Is Spin Injection? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Transport Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Knowledge of Some Essential Parameters
of Injector Ferromagnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.4 Sustainability of Spin Polarization in Paramagnet . . . . 30
2.3.5 Discussion of Spin Injection Process in Two Cases . . . 31
2.4
Spin Accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 What Is Spin Accumulation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Estimation of Spin Accumulation Length
by a Simple Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5
Spin Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.1 What Is Spin Relaxation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.2 What Is Spin–Orbit Interaction? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.3 Spin Relaxation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6
Elliott–Yafet Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.1 What Is the Prerequisite Condition
for Elliott–Yafet Mechanism? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 Elliott–Yafet Mode of Spin Scattering
Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.3 Where Does the Elliott–Yafet Mechanism
of Spin Scattering Occur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7
D’yakonov-Perel’ Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.1 What Is the Prerequisite Condition
for D’yakonov-Perel’ Mechanism? . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.2 D’yakonov-Perel’ Mode of Spin Scattering
Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7.3 Is Frequent Momentum Scattering Actually Be
Beneficial for Spin Longevity!! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.4 Where Does D’yakonov-Perel’ Mechanism
Occur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.8
Bir-Aronov-Pikus Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.8.1 Where Does the Bir-Aronov-Pikus Mechanism
of Spin Scattering Occur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9
Hyperfine Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.10 Spin Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.10.1 What Is Spin Valve Device? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.10.2 Operation of Spin Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.10.3 Description of Spin Valve Device Experiments . . . . . . . 60
Contents
2 Basic Elements of Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1
Spin Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2
Spin Filter Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 What Is Spin Filter Effect? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Physical Interpretation of Spin Asymmetry ‘A’ . . . . . . . 25
2.2.3 Spin Detection Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3
Spin Generation and Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 What Is Spin Injection? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Transport Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Knowledge of Some Essential Parameters
of Injector Ferromagnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.4 Sustainability of Spin Polarization in Paramagnet . . . . 30
2.3.5 Discussion of Spin Injection Process in Two Cases . . . 31
2.4
Spin Accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 What Is Spin Accumulation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Estimation of Spin Accumulation Length
by a Simple Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5
Spin Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.1 What Is Spin Relaxation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.2 What Is Spin–Orbit Interaction? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.3 Spin Relaxation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6
Elliott–Yafet Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.1 What Is the Prerequisite Condition
for Elliott–Yafet Mechanism? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 Elliott–Yafet Mode of Spin Scattering
Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.3 Where Does the Elliott–Yafet Mechanism
of Spin Scattering Occur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7
D’yakonov-Perel’ Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.1 What Is the Prerequisite Condition
for D’yakonov-Perel’ Mechanism? . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.2 D’yakonov-Perel’ Mode of Spin Scattering
Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7.3 Is Frequent Momentum Scattering Actually Be
Beneficial for Spin Longevity!! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.4 Where Does D’yakonov-Perel’ Mechanism
Occur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.8
Bir-Aronov-Pikus Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.8.1 Where Does the Bir-Aronov-Pikus Mechanism
of Spin Scattering Occur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9
Hyperfine Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.10 Spin Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.10.1 What Is Spin Valve Device? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.10.2 Operation of Spin Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.10.3 Description of Spin Valve Device Experiments . . . . . . . 60