电磁学发展现状及展望

磁学研究的特点与发展趋势
和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、 和表面 界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、独特的层间耦合以 界面物理的交叉 及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋-轨道耦合 轨道耦合、 及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋 轨道耦合、自旋相干性在这 里得到更突出的体现。一个典型的例子是对二维电子气系统（例如石墨稀） 里得到更突出的体现 。 一个典型的例子是对二维电子气系统 （ 例如石墨稀 ） 自旋流的产生与输运规律研究以及通过 Rashba 效应对二维电子自旋输运行 为的调控。另外一个例子是低维磁性问题的研究。 为的调控 。 另外一个例子是低维磁性问题的研究 。 当维度降低到可以与特征 关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。 关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。 与关联电子问题的交叉。关联量子现象的一个共同特征，是存在电荷、 与关联电子问题的交叉 。 关联量子现象的一个共同特征， 是存在电荷、 自 轨道、晶格等多种自由度或超导有序、磁性有序、电荷有序、 旋 、 轨道 、 晶格等多种自由度或超导有序 、 磁性有序 、 电荷有序 、 轨道有序 等多种有序相的共存和竞争。 等多种有序相的共存和竞争 。 关联量子材料发现的各种新颖的量子现象正是 来源于这些自由度或有序相的相互作用。在不同的材料或不同的外界环境中， 来源于这些自由度或有序相的相互作用 。 在不同的材料或不同的外界环境中 ， 不同自由度扮演的角色和重要性是不同的， 不同自由度扮演的角色和重要性是不同的 ， 这导致了关联量子材料丰富的量 子相态。探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律， 子相态 。 探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律 ， 研究关联电子系统 中各种自由度随参数改变而导致的电子结构的改变， 庞磁电阻效应 中各种自由度随参数改变而导致的电子结构的改变 ， 对于探索相关量子效应 的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。 的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。 多铁性现象 奇异表面/界面关联效应 奇异表面 界面关联效应
微电子技术 信息技术 纳米科技
新磁学研究是以自旋电子学概念的提出为起点的。 新磁学研究是以自旋电子学概念的提出为起点的 。电子具有电荷 和自旋自由度，但传统的微电子学器件功能设计主要是基于电荷， 和自旋自由度 ，但传统的微电子学器件功能设计主要是基于电荷， 忽略了自旋自由度。实际上，随着研究的深入，人们发现低维纳 忽略了自旋自由度。 实际上 ，随着研究的深入， 人们发现低维纳 米尺度的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷 例如退相干时 的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷， 米尺度 的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷 ，例如 退相干时 间长、能耗低等。充分利用电子的自旋属性，有可能获得功能更 间长、 能耗低等。充分利用电子的自旋属性，有可能获得功能更 强大、操控更方便、处理速度更快的新一代微电子器件 的新一代微电子器件。 强大、 操控更方便、 处理速度更快 的新一代微电子器件 。以此为 契机，作为凝聚态物理的一个新的分支--自旋电子学出现了 自旋电子学出现了。 契机，作为凝聚态物理的一个新的分支 自旋电子学出现了。
磁学研究的特点与发展趋势
2.更加注重自旋个体运动规律的探索 传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计 宏观统计行 传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计行 为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性 与此不同， 自旋的量子特性。 为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性。与此不同，现代磁学更 关心自旋的运动学与动力学行为 自旋个体的输运规律、 自旋的运动学与动力学行为， 关心自旋的运动学与动力学行为，自旋个体的输运规律、自旋弛豫行为以 自旋相干性的演变等 更加关注自旋的量子特性。 的演变等， 及自旋相干性的演变等，更加关注自旋的量子特性。 3.更加注重自旋态的多场调控研究 自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体,其关键是要达到对固态系 自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体 其关键是要达到对固态系 统中自旋自由度的有效操控。通过自旋--轨道耦合 自旋--电荷耦合及 轨道耦合、 电荷耦合及自旋 统中自旋自由度的有效操控。通过自旋 轨道耦合、自旋 电荷耦合及自旋 转移力矩效应，利用电场 光场结合磁场实现自旋态的调控， 电场、 转移力矩效应，利用电场、光场结合磁场实现自旋态的调控，而传统磁学 自旋霍尔效应的研究。 则主要利用磁场。一个典型的例子是自旋霍尔效应的研究 则主要利用磁场。一个典型的例子是自旋霍尔效应的研究。对非磁性半导 体施加外电场,自旋 轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流,同 自旋--轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流 体施加外电场 自旋 轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流 同 时在样品的两个边界处形成取向相反的自旋积累， 时在样品的两个边界处形成取向相反的自旋积累，利用这一物理效应可能 实现自旋累积，产生自旋流。 实现自旋累积，产生自旋流。另外一个例子是自旋极化电流对固态磁矩的 调控。当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁薄膜时,与多层膜磁矩的散射会 调控。当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁薄膜时 与多层膜磁矩的散射会 导致自旋角动量由传导电子到薄膜磁矩的转移,引起薄膜磁矩的不平衡 引起薄膜磁矩的不平衡,发 导致自旋角动量由传导电子到薄膜磁矩的转移 引起薄膜磁矩的不平衡 发 生转动、进动甚至磁化方向翻转。 生转动、进动甚至磁化方向翻转。椭圆偏振光对电子的选择性激发也是产 生自旋极化电流一种方式。 生自旋极化电流一种方式。
现代磁学发展简史
在基本磁学问题研究取得不断进展的同时， 在基本磁学问题研究取得不断进展的同时，磁性材料的应 用也得到了快速发展。在工业化潮流的推动下， 用也得到了快速发展。在工业化潮流的推动下，上个世纪 早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、 早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡 莫合金等软磁材料。之后，在无线电技术需求的推动下， 莫合金等软磁材料。之后，在无线电技术需求的推动下， 40年代又发展了适用于射频的磁粉介质、铁氧体材料，特 年代又发展了适用于射频的磁粉介质、 年代又发展了适用于射频的磁粉介质 铁氧体材料， 别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。 别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。和软磁材 料不同，去掉磁场后仍能保持磁性的材料称为永磁材料。 料不同，去掉磁场后仍能保持磁性的材料称为永磁材料。 按照磁体成分划分，Biblioteka Baidu按照磁体成分划分，永磁材料的发展历程可以分为三个阶 第一阶段：金属磁体题，碳钢、钨钢及钴钢等； 段。第一阶段：金属磁体题，碳钢、钨钢及钴钢等；第二 阶段：铁氧体；第三阶段：稀土永磁材料。永磁材料在微 阶段：铁氧体；第三阶段：稀土永磁材料。 波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、 波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、国防和日 程生活等各领域的应用极为广泛。 程生活等各领域的应用极为广泛。
新磁学研究的特点与发展趋势
1.更加注重和其他学科的交叉融合 更加注重和其他学科的交叉融合 自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体， 自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体， 探索自旋运动规律，实现磁调控与电调控的有机结合。结合了磁性物理与半 探索自旋运动规律， 实现磁调控与电调控的有机结合。 导体物理的磁性半导体、 导体物理的磁性半导体 、 稀磁半导体是过去十年中凝聚态物理的重点研究方 向之一 与信息物理、技术的交叉。信息技术的关键是信息的存储、传输与处理。 与信息物理、技术的交叉 。信息技术的关键是信息的存储 、 传输与处理 。 磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术。同时， 磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术 。 同时 ， 以巨磁 电阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用， 电阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用 ， 以隧道磁电阻效 应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明:非 应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明 非 磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制,利用 磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制 利用 自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯， 自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯 ， 引领新一代信息技 术
现代磁学>>新磁学过渡 现代磁学>>新磁学过渡 >>
经过近一个世纪的探索， 经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识逐渐趋于成熟 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲基本磁学理论已经 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题， 建立，对磁相关现象的认识不断深化，从表面到本质、从宏观到微观， 建立 ， 对磁相关现象的认识不断深化 ， 从表面到本质 、 从宏观到微观 ， 解 释也逐渐趋于完善。 释也逐渐趋于完善。 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、 磁化强度、电子自旋极化率。 磁化强度、电子自旋极化率。 有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料科学问题，而较少 有关传统固体软磁和硬磁性的研究， 已逐渐成为材料科学问题， 在凝聚态物理领域讨论了， 在凝聚态物理领域讨论了 ， 磁学研究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电 子学为标志的新磁学研究。 子学为标志的新磁学研究。 新概念 新效应 新规律
1.更加注重和其他学科的交叉融合 2.更加注重自旋个体运动规律的探索 3.更加注重自旋态的多场调控研究
磁学研究方向
1.自旋输运及自旋动力学问题 电子具有两个重要属性：电荷与自旋。很多重要的物理发现例如导电性、 电子具有两个重要属性：电荷与自旋。很多重要的物理发现例如导电性、超 导电性、巡游磁性、 导电性、巡游磁性、巨磁电阻效应及微电子器件的各种功能都和电荷输运过 程密切相关。 程密切相关。 自旋相关输运问题包括自旋流的产生、调控、输运规律、自旋相干性、 自旋流的产生 自旋相关输运问题包括 自旋流的 产生 、 调控 、 输运规律 、 自旋相干性 、 相应的检测方法技术的研究。 自旋动力学行为以及相应的检测方法技术的研究 自旋动力学行为以及相应的检测方法技术的研究。 稀磁半导体（包括氧化物稀磁半导体与常规稀磁半导体）的研究， 稀磁半导体（包括氧化物稀磁半导体与常规稀磁半导体）的研究，主要目 • 自旋 Hall 的之一就是为了获得高自旋注入效率 利用自旋—轨道耦合特性 采用电场控制不同自旋取向载流子的分布， 轨道耦合特性， 利用自旋 轨道耦合特性 ， 采用电场控制不同自旋取向载流子的分布 ， • 自旋热电 即自旋霍尔效应，也是一种获得自旋流的方式。新自旋流产生方法原理、 即自旋霍尔效应，也是一种获得自旋流的方式。新自旋流产生方法原理、技 术仍然是一个重要的研究课题 • 自旋注入 有机半导体因为其弱自旋--轨道耦合引起人们的极大关注 轨道耦合引起人们的极大关注， 有机半导体因为其弱自旋 轨道耦合引起人们的极大关注，在这里自旋具 有相当长的扩散距离。但是有机半导体的主要输运方式为极化子导电， 有相当长的扩散距离。但是有机半导体的主要输运方式为极化子导电，具有 • 新方法 强电--声耦合 常常产生不利影响。而常规稀磁半导体作为自旋载体， 声耦合， 强电 声耦合，常常产生不利影响。而常规稀磁半导体作为自旋载体，居里 温度常常过低。由此可见， 温度常常过低。由此可见，新自旋流载体探索是未来一个时期磁电子学研究 • 时间分辨 的关键 • 空间分辨 由于量子点的零维特性,电子的轨道态是量子化的 电子的轨道态是量子化的,电子自旋态由于自旋翻 由于量子点的零维特性 电子的轨道态是量子化的 电子自旋态由于自旋翻 转机制的有效抑制而变得十分稳定，被认为是量子比特的最佳选择。 转机制的有效抑制而变得十分稳定，被认为是量子比特的最佳选择。作为新 磁学的外延领域，低维体系的自旋动力学问题也应该得到进一步的关注。 磁学的外延领域，低维体系的自旋动力学问题也应该得到进一步的关注。
磁学研究现状与发展趋势
孙 继 荣 广 西 . 北海 2010.12.16
报 告 内 容
现代磁学发展简史 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究方向 新磁学研究方向 举例
现代磁学发展简史
• 1894年 居里确定了顺磁磁化率与温度成反比的实验定律 年 居里定律） （居里定律） • 1905年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上，推导出 年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上， 年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上 居里定律 • 1907年外斯（Weiss）假设分子场，解释了自发磁化。 年外斯（ 年外斯 ）假设分子场，解释了自发磁化。 • 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小；不能说明分子 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小； 场的起源。 场的起源。 • 1924年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋 量子力学效应 年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋-量子力学效应 年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋 • 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制 交换作用 年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用 年海森堡揭示了分子场的微观机制 • 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型 过渡金属的非整 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型--过渡金属的非整 数磁矩