第三讲 自旋电子学
自旋电子学的基本原理与应用
自旋电子学的基本原理与应用自旋电子学是近年来发展起来的新领域，主要研究电子的自旋行为及其对于电磁信号的相互作用，以期能够应用于信息技术等领域。
自旋电子学的基本原理在量子力学和电磁学等多个领域都有所涉及，其在物理学的发展历程中也扮演着十分重要的角色。
本文将会从经典电子学转化到自旋电子学的基本原理及其应用进行探讨。
1. 经典电子学与自旋电子学的转化在经典电子学中，电子的运动被看做是带电质点的运动。
通过在电场中施力，电子可以以较快的速度进行移动，并在电路中传输信息。
然而，在许多的情况下，电子的自旋现象不能够使用经典物理的方法进行描述，因为电子在自旋的时候，不仅仅具有电荷的性质，还具有固有的自旋量子数。
自旋是物理学的高度抽象的概念，因此需要用量子力学的方法进行描述。
2. 自旋电子学的基本原理自旋电子学的基本原理在量子力学的框架下进行描述，主要包括自旋的描述、自旋运动的演化以及自旋与电磁场的相互作用。
自旋量子数是自旋的定义方法，自旋量子数表示自旋的大小。
由于电子具有单个自旋，所以其自旋量子数s为1/2。
自旋的运动方式主要包括自旋的预处理、自旋密度矩阵的表示以及自旋的脉冲响应等。
自旋与电磁场的相互作用是指电子在外加电磁场的作用下所表现出的自旋现象，这个过程包括了自旋-轨道耦合和自旋-自旋耦合。
3. 自旋电子学的应用自旋电子学在信息技术和材料领域中有着广泛的应用，其主要涉及到数据存储、传输和处理等方面。
自旋存储器是自旋电子学在信息技术领域中的一个应用，其主要是通过控制电子的自旋，从而存储和光读取信息数据。
与传统的存储器相比，自旋存储器的优势在于其更高的数据密度和更低的功耗。
自旋晶体管是自旋电子学在材料领域中的一个应用，其主要涉及到利用材料的自旋运动来增强晶体管的性能。
自旋晶体管具有优异的性能，比如说在速度和功耗上都比传统晶体管有更大的优势。
4. 结论自旋电子学是一门新的学科，它将传统的经典电子学转化为量子力学的框架下进行研究。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
自旋电子学简介
自旋电子学简介一、什么是自旋电子学？自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。
顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。
早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。
到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。
电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。
其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。
通过对电子电荷和电子自旋性质的研究，最近在电子学和信息技术领域出现了明显的进展。
这个进展的重要标志之一就是诞生了自旋电子学。
在传统的电子学中，数据处理集成电路所用的是半导体中电子的电荷，但并不是说电子的自旋自由度以前从没有用过，例如传统的数据存储介质，如磁盘，用的就是磁性材料中电子的自旋。
事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。
从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。
但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。
这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。
因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。
从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。
已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。
这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。
自旋电子学的研究及其应用
自旋电子学的研究及其应用自旋电子学是一门近年来不断发展壮大的物理学分支，在许多领域有着广泛的应用。
自旋电子学的本质是将电子的自旋作为信息存储和处理的基本单元，与传统的电荷电子学不同，自旋电子学主要研究自旋极化和磁性材料的物性等问题。
本文将围绕自旋电子学的研究和应用展开探讨。
自旋电子学的研究基础自旋电子学最早起源于20世纪50年代，当时电子学的主要研究方向是电子的电荷性质。
然而，在20世纪60年代初期，一些科学家发现，电子不仅有电荷，还有自旋。
自旋是电子特有的一种角动量，带有一定的磁性。
磁性的自旋可以看作是一种磁场，因此，自旋可以被用来控制磁性物质的电学性质，也可以被用来存储和传输信息。
自旋电子学的研究涉及到自旋的量子力学和自旋极化的物理化学等多个领域。
其中最关键的问题是如何将电子的自旋转化为可控制的电学信号。
经过多年的研究，科学家找到了一种用自旋控制电学信号的方法，就是通过自旋极化电流来控制材料的磁性，从而实现信息的存储和处理。
自旋电子学的应用自旋电子学的应用非常广泛，可以涉及到信息技术、能源、生物医学、环境保护等多个领域。
以下将列举几个自旋电子学的应用案例。
1. 磁性存储器磁性存储器是自旋电子学最主要的应用之一。
磁性存储器是一种通过自旋极化来实现信息存储和读出的储存设备。
磁性存储器可以用来存储各种类型的数据，如音频、视频、图像等。
目前，磁性存储器已经成为了大规模数据存储的重要工具。
2. 自旋电子器件自旋电子器件是一种通过自旋控制的电子设备。
自旋电子器件可以通过调节自旋极化来控制电子的输运、逆转和操纵等。
自旋电子器件可以广泛应用于电磁学、电子器件工程、物理化学等领域。
3. 磁性减震器磁性减震器是一种通过自旋极化来减少震动的设备。
磁性减震器可以通过磁场的作用将机台内部的震动缓解，从而减少机器的噪音和振动。
磁性减震器在机械工程、制造工艺等方面有广泛的应用。
4. 纳米磁性探针纳米磁性探针是一种通过自旋极化来探测材料结构和性质的工具。
自旋电子学概述
自旋电子学概述自旋电子学是一门研究电子自旋运动和相关现象的学科领域。
自旋电子学在物理学、材料科学和电子工程等领域具有重要的理论和实际应用价值。
本文将简要介绍自旋电子学的起源、基本概念以及应用前景。
一、起源自旋电子学最早可以追溯到20世纪初。
美国物理学家斯特恩在1922年的实验中首次观测到电子的自旋。
自旋被认为是电子的基本属性之一，其类似于物体的自旋，但又有所不同。
自旋除了带有磁矩，还具有量子性质，如量子态叠加和纠缠等。
二、基本概念1. 自旋电子学中的自旋：自旋是描述电子旋转角动量的量子性质。
常见的自旋取值有“上自旋”和“下自旋”，分别对应自旋向上和向下。
2. 自旋电子学中的磁性：自旋和磁性密切相关，自旋带有磁矩。
通过利用电子自旋来操控和感知材料的磁性，可以实现磁存储、磁传输和磁传感等应用。
3. 自旋电子学中的自旋轨道耦合：自旋轨道耦合是指自旋和电子轨道运动之间的耦合效应。
它可以通过磁场、电场和材料的对称性等因素来调控。
自旋轨道耦合是实现自旋电子学功能的重要基础。
三、应用前景自旋电子学具有广阔的应用前景，以下列举几个重要的研究方向和应用领域：1. 自旋电子学器件：利用自旋来实现信息的存储、传输和处理是自旋电子学的重要应用之一。
例如，自旋晶体管、自旋场效应晶体管等器件可以用于高效的信息存储和处理。
2. 磁存储技术：自旋电子学在磁存储领域具有广泛的应用。
通过调控电子自旋来实现高密度、高速度的磁性存储，可以有效解决传统磁存储技术面临的挑战。
3. 自旋电子学材料：自旋电子学的发展离不开新型的自旋电子学材料。
例如，具有自旋劈裂特性的材料可以用于自旋传输和自旋滤波器件。
4. 量子自旋系统：自旋电子学与量子信息领域的交叉也是一个研究热点。
利用电子自旋来实现量子比特的存储和操作，有望实现量子计算和量子通信的突破。
四、总结自旋电子学作为一门新兴的学科领域，对于未来信息技术的发展具有重要意义。
随着研究的深入和技术的不断突破，自旋电子学有望在信息存储、传输和处理等领域发挥重要作用。
自旋电子学
后来,人们设计出一种三明治结构,使相邻铁磁层的磁矩 不存在(或只存在很小的)交换耦合,则在较低的外磁场 下相邻铁磁层的磁矩能够在平行与反平行排列之间变 换,从而引起磁电阻的变化,这就是所谓的自旋阀结构 (spin valve).自旋阀结构的出现,使得巨磁电阻效应的应 用很快变为现实.
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自旋电子学涉及的典型课题 a)如何有效地极化一个自旋系统，即如何获得自 旋极化相干态（包括自旋注入） b)系统的自旋极化相干态在输运过程中能保持多 长时间 c)如何有效地探测和操纵自旋状态以及自旋状态 的改变
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理论部分 非对易量子力学
[xi , x j ]
i ijk
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如果有磁通Φ穿过介观环 ,电子流过环时将发生干涉效应。 控制透射电子的自旋极化方向有两种方法 ,一科种方法是施加一定 大小的切向磁场 B,改变附加磁通的大小;另一种方法是选定附加磁 通的大小 ,调节切向磁场 B的大小。
既可以通过调节磁通也可以通过调节切向磁场来控制透射电子 的自旋极化方向 ,适当的调节可以使电子的自旋发生翻转。对于不 同的入射自旋态 ,这种装置可以用来控制极化自旋流或者充当自旋 开关
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1995年,人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr,在 Fe/Al2O3/Fe三明治结构中观察到很大的隧道磁 电阻(Tunneling Magnetoresis-tance,TMR)现象, 从而开辟了自旋电子学研究的又一个新方向.
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•电子拥有自旋和电荷 •电子的逻辑装置采用电子的 带电性质 •电荷相互作用的能量在eV 级，而自旋相互作用在meV 级别 •基于电子的自旋性质的逻辑 运算的功率损耗要远小于基 于电荷性质的
自旋电子学第三讲
垂直磁记录与纵向磁记录的比较
3.磁记录介质 3.磁记录介质
磁性纳米微粒： 磁性纳米微粒：
颗粒的长度应远小于记录波长； 颗粒的长度应远小于记录波长； 粒子的宽度应远小于记录深度； 粒子的宽度应远小于记录深度； 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 铁或氧化物针状粒子： 铁或氧化物针状粒子：r-Fe2O3, CrO2,Fe, 钡铁氧体 典型的：微粒大小10~20nm 典型的：微粒大小
3）状态密度不同导致两种自旋电子子带数量不同:
Ni
铁磁金属的3d能带劈裂
自旋极化率:
p = (D↑ − D↓ ) (D↑ + D↓ )
p1 (Fe ) = 0.44 ,
P2 (Co ) = 0.34
4)当电流流经铁磁金属 时形成自旋极化电流。 这也意味着，当电流从 FM层通过欧姆接触的 界面流进顺磁金属(PM) 时也是自旋极化的，称 为： ”自旋积累”(spin 自旋积累”
accumulation)
自旋积累的大小取决于FM/PM 自旋积累的大小取决于 界面上自旋注入率和spin flip率 界面上自旋注入率和 率
5பைடு நூலகம்自旋扩散长度
自旋积累在一个长度范围内呈指数衰减，这 个长度称为“自旋扩散长度 自旋扩散长度”。 自旋扩散长度
Fermi velocity Spin flip time Mean free path
Free CoFe/NiFe/Ta/NiFe
Buffer Ta
Synthetic Pin
HRF
作用：提高材料巨磁阻效应， 作用：提高材料巨磁阻效应，提高自由层效率
数据的写入过程 电流反向写“ 电流反向写“1” 不变写“ 不变写“0”
自旋电子学的研究及应用
自旋电子学的研究及应用自旋电子学是一门新兴的物理学科，它旨在探索电子自旋在材料中的物理现象和应用。
随着纳米技术的发展，自旋电子学已成为一个高度活跃的领域，尤其是在磁存储、量子计算和自然大气层探测等方面，都有着广泛的应用前景。
自旋电子学的研究初衷是为了更好地理解电子的结构和运动，以便更好地进行电子设备的设计和制造。
而传统的电子学研究集中在电子的带电粒子特性上，而自旋电子学则是研究电子自旋这一新特性，即电子固有的自旋角动量，因为这种特性可以用来存储和传输信息。
在自旋电子学中，研究人员可以探索电子之间的相互作用、电子在材料中的分布、电子在磁场中的行为等问题。
将自旋电子学应用于磁存储技术中，是自旋电子学中的一个非常成熟和广泛应用的领域。
传统的磁存储器件是基于磁性材料的磁性特性进行工作的，而自旋电子学中的磁性存储器件可以利用电子自旋作为信息存储单位，因其优点是数据更加稳定和可靠，所以可以达到更高的存储密度和读写速度。
目前，自旋电子学在磁盘存储、磁性随机存储器、磁性纳米线和磁性隧道晶体管等方面的研究都取得了重要的进展。
另外，自旋电子学还可以应用于量子计算机中。
量子计算机的核心是利用量子比特(qubits)作为计算的基础单位，而自旋电子学则是探索电子自旋的性质以实现qubits。
相比于传统计算机，量子计算机使用的量子比特能够处理大量的信息，因此可以更高效地进行计算。
自旋电子学中的量子比特技术已经用于量子比特的设计和制造，并且取得了一些重要的进展和成果。
例如，利用自旋量子比特可以实现比特的非破坏性读取和写入，从而在量子计算中实现了单比特控制操作。
在自然大气层探测领域，自旋电子学也有着重要的应用。
大气层对于太阳活动的响应是一种自旋极性反转现象，即自旋电子的自旋极性会随着太阳活动周期变化。
自旋电子学可以利用自旋电子在大气中的特性来检测这种自旋极性反转现象，从而可以更好地研究大气层和太阳活动对地球的影响，具有很大的科学价值。
自旋电子学与自旋电子器件简述知识分享
自旋电子学与自旋电子器件简述陈闽江，邱彩玉，孙连峰（国家纳米科学中心 器件研究室 北京 100190）一、引言2007年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予在1988年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国Albert Fert 教授和德国Peter Grunberg 教授。
其随后的应用不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十G 乃至上百G 。
越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响，并意识到这个工作方向的重要意义。
1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance ，GMR)，1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal Magnetoresistance ，CMR)，特别是1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance ，TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮，这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究，不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科——自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展，也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。
中国科学院物理研究所朱涛研究员表示：“Albert Fert 和Peter Grunberg 种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。
”二、电子自旋与自旋电子学要阐明自旋电子学，就不得不先简述一下电子自旋这一概念。
电子自旋不是电子的机械自转，电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性，所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。
它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。
所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标（r ），还必须考虑其自旋状态。
自旋电子学中的自旋霍尔效应与自旋极化电流研究
自旋电子学中的自旋霍尔效应与自旋极化电流研究自旋电子学是一个新兴领域，旨在利用电子的自旋自由度来实现信息存储和处理。
在自旋电子学中，自旋霍尔效应和自旋极化电流是两个重要的研究课题。
本文将介绍自旋霍尔效应和自旋极化电流的物理定律、实验准备和过程，并讨论它们在实际应用和其他专业性角度的研究。
首先，我们来了解一下自旋霍尔效应的物理定律。
自旋霍尔效应是基于霍尔效应发展而来的，霍尔效应是指在一个有电流通过的导体中，如果垂直于电流方向加上一个外磁场，会在导体的侧边产生一种电势差。
而自旋霍尔效应是在霍尔效应的基础上引入了自旋自由度，即考虑电子的自旋角动量，从而实现了对自旋的控制和操纵。
自旋霍尔效应使得自旋电子在导体横向运动时会出现一定的偏转，并且该偏转方向与自旋角动量的方向有关。
这种效应可以用来实现自旋转换和自旋操纵，为自旋电子学提供了一种新的手段。
为了研究自旋霍尔效应，我们需要进行一系列实验准备。
首先，我们需要制备一种具有自旋极化性质的材料，如铁磁性材料等。
随后，我们需要制备一块具有导电性质且尺寸小于自旋弛豫长度的薄膜样品，以便实现自旋信号的传输和探测。
另外，我们还需要建立一套实验装置，包括磁场调控系统、电流源、电压测量仪器等。
在实验过程中，我们首先将薄膜样品放置在实验装置中，并通过电流源加上一定大小的电流。
接着，我们在样品周围加上垂直于电流方向的外磁场，从而实现自旋极化。
当自旋极化的电子通过样品时，由于自旋霍尔效应的存在，电子在横向运动过程中会受到一定的偏转。
通过在横向方向上放置一对电压测量探头，我们可以测量到样品侧边产生的电势差，即自旋霍尔电压。
通过调节电流源和磁场调控系统，我们可以进一步研究自旋霍尔效应的特性，如自旋相关电阻、自旋霍尔电导等。
自旋极化电流是另一个重要的研究课题，它可以用于实现自旋电子器件的构建和应用。
自旋极化电流是指在电流中引入一定的自旋极化度，即电流中的自旋向上或向下有所偏向。
通过自旋极化电流，我们可以实现自旋转换、自旋注入等操作。
纳米科学中的自旋电子学
纳米科学中的自旋电子学随着科技的不断发展，人类对于自然界的认识也越来越深入。
在物理学中，自旋被认为是比电子电荷更为重要的物理量，这是因为自旋与电荷耦合在一起的系统很容易出现强磁性现象。
自旋电子学就是研究自旋与电子之间的相互作用，尤其是在纳米尺度下的现象。
本文将介绍一些纳米尺度下的自旋电子学现象以及相关研究成果。
一、磁隧道结磁隧道结是一种利用自旋极化现象的器件，其原理基于当电流流经两个磁性电极时，通过隧道发生的磁阻现象。
它可以用于读写磁介质存储设备中的信息。
随着磁隧道结技术的不断发展，其性能也得到了不断提升。
例如，磁隧道结中使用的磁性材料的晶面结构、磁性薄膜层的厚度等因素都会影响到其性能。
二、反铁磁材料在反铁磁材料中，磁矩的朝向交替排列，从而导致磁性为零。
这些材料通常具有很强的自旋极化效应，因此被广泛应用于磁存储器件的制造中。
例如，反铁磁导层可以用来保护隧道结中的磁性电极，防止其漂移或翻转。
三、磁性半导体磁性半导体是一类同时具备半导体特性和铁磁性的材料，可以在纳米尺度下进行磁性多层膜的制备。
他们的自旋极化效应比传统磁性材料更强。
磁性半导体可以被用作自旋电子学器件中的可调谐元件，例如，可变电阻器、自旋阀门等。
这些器件可以被广泛应用于计算机存储器件、磁性传感器、磁性光学器件等领域。
四、自旋霍尔效应自旋霍尔效应是指当电流通过具有强自旋轨道耦合的材料时，会在材料内部产生自旋极化电流。
这个现象可以被用作磁性读写器件，例如读取硬盘或固态硬盘中的数据。
自旋霍尔效应还可以被用作测量样品中电子自旋和磁矩的方法。
最近，研究人员已经开始使用自旋霍尔效应来研究低温物理学、快速储能装置等课题。
五、磁性资源磁性纳米粒子是一种磁性资源，可以用来制备磁性流体、磁性探针等。
这些磁性纳米粒子的自旋可以被操纵，这为他们的应用提供了可能性。
例如，磁性纳米粒子可以被用作癌症治疗的载体，用来输送药物到患病部位。
此外，磁性纳米粒子还可以被用来制备仿生传感器、量化计算机等。
颜老师课件自旋电子学2014
Dilute ferromagnetic oxides; TC > RT
材料 GaN TiO2 掺杂元素 Mn 9% Co 7% Fe 2% SnO2 Fe 5% Co 5% 磁
Fe (001) MgO(001)2nm Fe (001) MgO(001)基片
3x12m2
室温：TMR=88%
超过Al2O3非晶势垒 (TMR~70%)
磁性隧道结的应用—磁记录头，MRAM
Motorola MTJ MRAM structure
位线
位线
BL
写线 写线
MTJ
字线
读出
字线
写入
CMOS
Fe Fe
↑↑ ↑↑ ↑↑
↑↓
↑↓
Al2O3
Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化
↓↓ ↓↑
Fe
↓↑
Al2O3 Fe
↓↓
J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403
Fe/Al2O3/Fe磁滞回线
隧穿磁电阻的解释 (Fe/Al2O3/Fe)
↑↑ 电阻RP小 ↑↓ 电阻RAP大
FLASH
MRAM
MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）
>256 GB
>500 MHz 2 F2/bit <2 ns <10 ns <10 ns 无穷 无穷 <1 V
无穷 0.6-0.5 V
<50 mV
5. 高自旋极化率材料：半金属材料和稀磁半导体
混合价钙钛矿CMR
稀 磁 半 导 体
稀 磁 半 导 体
电子
自 旋
电荷 电子 自旋
自旋电子学的综述
自旋电子学及其在半导体中的应用摘要：自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用，是一门结合磁学与微电子学的新兴交叉学科。
其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。
本文简单介绍了自旋电子学的概念及其内容综述了自旋电子学目前的研究，尤其是半导体自旋电子学，集中讨论了使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，最后对自旋电子器件的应用进行了展望。
关键词：自旋电子学自旋阀磁隧道结半导体自旋电子学一．名词解释1.自旋电子学[1](spintronics)也称为磁电子学，是一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科，它研究具有某一自旋状态(自旋向上或自旋向下)的电子的输运特性，是当前凝聚态物理的热点领域之一。
众所周知，电子除了带有电荷的特性外，还具有自旋的内禀特性，对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。
2.半导体自旋电子学[2]电子同时具有电荷和自旋两种属性，电子的电荷属性在半导体材料中获得极大的应用，推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。
使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，成为人们最关注的问题。
最初人们企图用铁磁金属与半导体材料直接欧姆接触，把极化自旋流注入到半导体材料中去，但是由于肖特基势垒太高，注入效率极低。
为了克服肖特基势垒，只有两个办法：寻找磁性半导体材料或利用隧道效应。
二．自旋电子学的起源1857年Thomson发现了在多晶结构的Fe中，具有各向异性磁电阻效应[3](anisotropy magnetore．sistance，AMR)，而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略电子的自旋。
20世纪50年代人们在研究超导体时，将电子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒子是费米面附近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库柏对，建立了著名的BCS 理论，但是BCS理论虽然将电子的自旋自由度引入到输运过程中，但是在库柏对中，电子是成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋的电子在输运中的差别。
自旋电子学的理论基础
自旋电子学的理论基础引言自旋电子学是一门新兴的研究领域，它涉及到电子的自旋自由度在信息处理和存储方面的应用。
自旋电子学是在传统电子学的基础上发展起来的，它利用电子的自旋来操控信息，具有可观测性高、稳定性强等特点。
本文将介绍自旋电子学的理论基础，包括自旋自由度的基本概念、自旋-轨道耦合、自旋相关效应等内容。
自旋自由度的基本概念自旋是描述粒子围绕其轴向旋转的属性，它对应着一个角动量。
自旋自由度是指在给定的状态下，粒子可以具有的不同的自旋取向。
自旋自由度通常用量子数来描述，常见的有自旋1/2、自旋1等。
自旋自由度具有某种程度上的独立性，可以独立于粒子的运动状态存在。
自旋-轨道耦合自旋-轨道耦合是指在存在自旋和轨道运动的情况下，它们之间发生相互作用的现象。
自旋-轨道耦合可以由自旋-轨道相互作用引起，它涉及到电子的自旋与电子在原子核周围运动时，其轨道所感受到的磁场之间的相互作用。
自旋-轨道耦合对于自旋电子学的实现起着重要的作用，它可以使自旋自由度与其他自由度相互耦合，从而实现自旋的操控和传输。
自旋相关效应自旋相关效应是指自旋在物理现象中所表现出来的特殊性质。
其中比较重要的自旋相关效应包括自旋霍尔效应、自旋量子干涉效应、自旋翻转效应等。
这些效应都是基于自旋自由度的特殊性质展现出来的，在自旋电子学中具有重要的应用价值。
自旋霍尔效应自旋霍尔效应是指在存在磁场和电场的条件下，电子由于自旋和电荷之间的耦合，在横向电场作用下沿磁场方向产生的电荷流动。
这种效应在二维材料中特别显著，可以用于实现自旋电子学器件中的自旋输运。
自旋量子干涉效应自旋量子干涉效应是指当自旋自由度在空间中存在相干关系时，它在干涉实验中所表现出的特殊性质。
自旋量子干涉效应是自旋电子学中量子信息处理和量子计算的重要基础，可以用于实现自旋量子比特和量子逻辑门的操作。
自旋翻转效应自旋翻转效应是指在外部条件改变的情况下，电子的自旋发生改变的现象。
在自旋电子学中，自旋翻转效应可以用于控制自旋自由度的状态，实现自旋信息的读写和操控。
自旋电子学讲座3
(3)
自旋注入
翟亚
主要内容:
引言 自旋极化场效应晶体管 自旋的注入与探测的方法 铁磁/半导体集成结构的制备和特性
在电子电荷的基础上建立了半导体电子学
在固体电子工业上最大的成就是1947年在Bell实验室首次发 现了晶体管。 在5年之后商业化，现在成了每台计算机不可缺少的元件。 此后，在市场上出现各种各样的半导体器件。 场效应晶体管：
半导体电子浓度n = 2–4×1016 cm−3, 2500nm 厚度；Fe的厚度 为5 nm。
标准的光刻和刻蚀用来制备通道和5条10 μm×50μm的Fe电 极。3条中间的电极心心间距为12 μm，两端的电极相距160 μm
Fe的易磁化轴为电极长度方向沿GaAs [011]方向。
电子的自旋输运测量由电极的磁电阻，局部Hall效应和其他 对信号的外在贡献。
改变现代信息处理技术的模式，操作半导体中的电子自旋 自由度或同时操作半导体中的电子自旋和电子电荷两个自由 度同时进行进行信息的传输、处理和存储。
将“自旋”极化载流子引入到半导体中，有两种最基本的 方案： /直接在半导体中掺杂磁性元素，发展高居里温度 的磁性半导体； /铁磁/半导体的集成结构，从铁磁体将自 旋电流注入到半导体，即自旋注入
自旋电子学涉及的典型课题：a)如何有效地极化一个自旋系
统，即如何注入自旋？b)系统的自旋极化相干态在输运过程中能保持 多长时间？c)如何有效地探测和操纵自旋状态以及自旋状态的改变？
Spin-FET（Spin field-effect transistor） S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990)
当栅极带正电时，p型硅中的电子被吸引到 栅极下面的地方，从而在源极和漏极之间形 成 一 个 电 子 通 道 。当漏极带正电时，电 子 就 会 从 源极流向漏极。晶体管处于通的状态。
磁性材料与自旋电子学
磁性材料与自旋电子学磁性材料是一类具有特殊性质的物质，在电子学和信息技术领域具有重要的应用。
而自旋电子学是一门研究磁性材料中自旋电子行为的学科，它的出现极大地推动了磁性材料的研究和应用。
1. 磁性材料的基本性质磁性材料是由具有自旋的原子或离子组成的，所以它们会表现出磁性。
磁性材料的磁性起源于自旋电子的自旋-轨道耦合以及电子之间的交换相互作用。
这些相互作用导致了磁性材料在外磁场的作用下会发生磁化。
2. 磁性材料的分类根据磁化的方式，磁性材料可以分为软磁性材料和硬磁性材料。
软磁性材料具有易磁化和易消磁的特点，在电感器、变压器等电子元件中得到广泛应用。
而硬磁性材料具有高矫顽力和保持力，常用于制造永磁体、磁记录材料等。
3. 自旋电子学的概念自旋电子学是研究材料中自旋电子行为以及将其应用于电子技术领域的学科。
自旋电子学利用自旋作为信息的载体，通过调控自旋的流动和操控来实现新型电子器件的设计。
与传统电子学相比，自旋电子学具有更快的开关速度、更低的功耗和更高的存储密度。
4. 磁性材料在自旋电子学中的应用在自旋电子学中，磁性材料可用于制备磁隧道结、磁性逻辑门等新型器件。
磁隧道结是基于自旋极化效应的电子器件，具有快速读写速度和低功耗的特点，广泛应用于存储器件和逻辑门。
而磁性逻辑门则是利用磁化方向的不同来实现逻辑运算，具有低功耗和高速度的优势，可以用于构建自旋逻辑电路。
5. 磁性材料在磁存储技术中的应用磁存储技术是自旋电子学的一个重要应用领域。
磁性材料通过磁化的方式存储信息，并能够长时间保持其状态。
硬盘驱动器和磁带是应用最广泛的磁存储设备，它们利用磁性材料在不同磁化方向之间翻转来表示二进制的0和1。
随着科技的发展，磁存储技术不断创新，磁性材料也在不断演化，如将单一磁层改为多磁层、引入自旋转移或反转等，以提高磁存储设备的容量、速度和稳定性。
总之，磁性材料与自旋电子学是紧密相关的领域，它们的发展相互推动。
磁性材料的特殊性质使其在自旋电子学中具有重要的应用价值，促进了自旋电子学的进一步研究和发展。
自旋电子学材料课件
VG < 0
Nanoscale (2012) 4, 5680. PCCP (2013) 15, 15793.
VG > 0
基于BMS的自旋操控 (1)
自旋极化开关
自旋极化振荡器
BMS这一新型材料为自旋电子学中第三个科学问题提供了理 想的解决方案！
基于BMS的自旋操控 (2)
场效应自旋阀
VG1, VG2 > 0 or VG1, VG2 < 0 VG1 > 0 and VG2 < 0 VG1 < 0 and VG2 > 0
自旋操控：电控制磁？
磁控制
易于实现 难于小型化 与集成电路兼容 性差
电控制
难于实现 易于小型化 与集成电路兼容 性好
通过电场来控制自旋极化是下一代自旋电子学追求的一 个重要目标
现有方法 (1)
电场调制朗德g因子
Y. Kato, et al. Science 299, 1201 (2003).
自旋电子学材料的 计算模拟与设计
自旋电子学
1988: 巨磁阻效应(GMR)
Albert Fert Peter Grü nberg The Nobel Prize in Physics 2007
自旋电子学和自旋流
评述自旋电子学和自旋流沈顺清(香港大学物理系 香港)摘 要 传统的电子学完全忽略了电子自旋,这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向.自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础,探讨研发新一代电子产品的可能性.文章简单介绍了自旋电子学的动机、物理基础以及研究内容,并重点介绍了在自旋电子学器件中起关键作用的自旋流.文章从自旋流的定义、它能产生的物理性质和最近有关自旋流探测的理论和实验进展等三个方面进行阐述.关键词 自旋电子学,自旋流,量子自旋Spi n tron i cs and Spi n CurrentSHEN Shun 2Q ing(D epart m ent of Physics,The U niversity of Hong Kong,Pokfulam Road,Hong Kong,China )Abstract Conventional electr onics co mp letely ignores the electr on s p in,which p rovides us with an unp rece 2dented chance and new starting point t o exp lore the future of the modern sem iconductor and infor mation industry .Sp intr onics,or s p in 2based electr onics,ai m s t o exp loit the subtle and m ind 2bending es oteric quantum p r operties of the electr on t o develop a new generation of electr onic devices .In this paper the motivation,fundamental physics,and scope of s p intr onics will be briefly addressed .The s p in current,one of the essential concep ts in s p intr onics,will be discussed in detail,intr oducing its definiti on,physical effects,and recent theoretical and experi mental p rogress .Keywords s p intronics,s p in current,quantum s p in3 香港研究赞助局基金(批准号:HK U0742/06P )资助项目2007-09-10收到初稿,2007-10-31收到修改稿 Email:sshen@hkucc .hku .hk1 自旋电子学80年前,英国天才理论物理学家狄拉克将新生的量子力学和爱因斯坦的相对论结合,建立了相对论量子力学,成功地解释了电子为什么会具有一种特别的磁性或角动量,即自旋(电子自旋的基本性质见表1).自此,人们清楚地认识到电子不仅带有质量和基本电荷,还带有内禀自旋.在过去80多年里,量子力学的建立和发展使我们对物质的构成和结构,特别是电子的能带结构有了定量的认识.这为半导体晶体管的发明以及半导体工业的建立和快速发展提供了坚实的基础.到上个世纪70年代,传统的电子微处理器和电路被打包到半导体晶片上形成集成电路,随后单个微处理器的尺寸迅速减小.作为指标性的参数,半导体晶片上单位面积的晶体管和电阻数目,在过去的三四十年间,由最初的每12个月到目前的每18个月翻一番.这个指数增长的所谓摩尔定理归纳了半导体和信息工业的发展速度,使原本体积庞大的计算机变成了人们日常生活中不可缺少的用品和工具.这种迅速发展也使半导体晶片上的晶体管快速逼近纳米尺度.由于它不可能小于单个原子,这已变成大规模集成电路发展不可克服的物理极限.与此同时,有限尺度的物理器件引起的热耗散也是集成电路的一大障碍.在思考半导体工业发展方向和新的出路的时候,人们惊讶地发现现在几乎所有的电子产品都只利用了电子的电荷来传输能量和信息.作为电子内禀性质的自旋,除了材料磁性和简单的能级简并外,几乎被完全忽略.这使我们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向.表1 电子自旋的基本性质(1)电子除了质量和电荷外,还有一个内禀角动量,叫自旋;(2)每个电子自旋都有任意的两个方向.每个自旋的大小为± ( 为Planck常数).当固体中所有的电子自旋指向一个方向时,就形成我们熟知的铁磁体;(3)在磁场中,电子自旋平行或反平行于磁场时,电子具有不同的能量;(4)定向运动的电子形成电流.在通常的电流中,电子自旋的指向是无规的,没有自旋的性质;(5)定向相干运动的电子自旋形成自旋流.在自旋电子器件中,自旋流是传输和控制自旋的载体和动力. 自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础,研发新一代电子产品.它不仅对信息工业有着重要影响,而且对电子输运和调控等基础物理研究提供了新的课题,是目前凝聚态和材料物理研究的一个重要领域.简单地说,自旋电子学的原动力可以总结为一句话:传统的电子学完全忽略了电子自旋[1].在日常的家用电器中导电电子的自旋取向是无规的:50%电子自旋向上,50%电子自旋向下.换句话说,电子的自旋完全没有起作用.1988年,超薄多层磁性金属薄膜中巨磁阻效应(G MR)的发现,标志着一个新时代的开始.通常金属都有磁阻效应,当磁场加到金属样品上时,因为洛伦兹力的作用或霍尔效应会改变电流的运动方向,从而引起样品电阻发生改变.当电子开始绕磁场转动时,若没有散射,它对电流没有贡献;当散射发生后,由于电场产生的初始速度会影响下一个回旋轨道.弛豫时间越长(低电阻),磁场作用在电阻上的效应就越大,通常的磁阻率Δρ/ρ∝(H/ρ)2(ρ为电阻,H 为磁场).一般的金属像铁(Fe)和钴(Co)的磁阻率分别可达到0.8%和3.0%.这个性质早已应用到磁探头上读取磁盘记录.1988年,Baibich等人[2]发现,在FeCr磁性多层膜中,磁阻率在T=4.2K时可达到50%,这是当时所知的最高值的10倍以上.在这个实验中,铁磁性的铁层的厚度为30—60!,由非铁磁性的厚度为9—60!的铬层隔开,铁磁层通过非铁磁层反铁磁般地耦合起来.当外加磁场约为20k Oe时,铁磁层会沿一个方向极化.当铁磁层反铁磁般地耦合时,它的电阻大于加上外场后的结果.铁磁层间的反铁磁耦合的强弱与非铁磁铬层的厚度有关.1990年,Parkin等人[3]发现层间反铁磁耦合的强弱随中间层的厚度振荡,因此巨磁阻效应是可调控的.巨磁阻效应并不依赖于电流相对于磁化强度的方向,而是取决于邻近铁磁层磁化强度的相对方向.一个最重要的特征是,当中间隔离层的厚度大于电子的平均自由程(约10n m)后,巨磁阻效应就消失了.这表明相邻铁磁层决定了自旋散射机制.由于磁性和非磁性膜的厚度在电子的平均自由程内,当磁性层中磁化强度平行时,会增加电子的平均自由程,反平行时,会减弱电子的平均自由程,这就导致了巨磁阻效应.这个效应成功地应用于敏感的磁探头设计,极大地提高了磁探头的灵敏度.从此人们开始意识到量子自旋及其输运在电子仪器的研究和应用中的重要性.后来还发现了磁阻率更高的隧穿磁阻效应(T MR)[4].这些效应已广泛应用于磁感应器等商业产品中.在巨磁阻效应发现后不久,美国普渡大学的Datta和Das提出了一种新型的场效应晶体管(field effect transist or)[5].这种晶体管的两个电极,即“源”和“漏”是具有铁磁性的.连接两极之间的半导体通道是由半导体异质结形成的二维电子气.由于电极是铁磁的,期待进入该通道的电子是自旋极化的.电子自旋通过该通道并不受到杂质等的散射,当一个门电压加到晶体管上后,它可以通过电子的自旋轨道耦合控制自旋的进动,进而控制连接两极电流中电子自旋的取向.当电子到达“漏”电极时,如果电子自旋与电极的极化方向一致时,电子就可顺利地进入电极;相反,如果电子自旋与电极的极化方向相反时,电子就不能进入电极.这就实现了晶体管的“开”和“关”.传统的晶体管是利用门电压来控制两极间的电流.大的门电压可以改变电子的运动方向从而切断两极之间的电流,来实现晶体管的“开”和“关”.Datta和Das的晶体管与普通的晶体管相比,它们有相同的结构,所不同的是,前者是利用门电压来改变电子自旋的方向,而后者是利用门电压来改变电子的运动方向.相比之下,改变电子自旋方向所需的能量远比用于改变电子运动方向要小,而且时间更短,效率更高.这个极具创意的思想引起了广泛的重视,它已具有目前自旋电子学器件所要求的特性:(1)它依赖于自旋极化的载流子或电子自旋;(2)运动的自旋可有效地输运和穿透界面;(3)所有的电子自旋可保留足够长的时间以致能完成所需的物理操作.不过到目前为止,这种自旋场效应晶体管还没有在任何实验室中实现.评述在前面提到的两个例子中,一个是金属薄膜的巨磁阻效应,一个是半导体的场效应晶体管.近十几年来,金属的自旋电子学器件得到了快速发展和广泛应用,成为自旋电子学研究的一股重要的推动力.巨磁阻效应和隧穿磁阻效应都可以用自旋输运的两通道图像来理解[6].这种处理并没有要求电子自旋相干.所以总的说来,在金属自旋电子学器件中,我们还没有利用电子自旋的相干性.最近的实验,如电流诱导的磁化强度进动、金属中的自旋霍尔效应等,都实现了相干的自旋电子性质.相信不久的将来,它们会有更广泛的应用.另一方面,由于半导体中电子的自旋相干长度远长于金属中电子的自旋相干长度,使我们更期待半导体在自旋电子学的发展中起到更大的作用.与此同时,利用成熟的半导体工艺也是一个重要原因.在自旋电子学的研究中,简单地说有三个基本的课题:(1)自旋的注入:怎样产生极化的电子或量子自旋态是实现自旋电子学器件的第一步;(2)自旋的操控:怎样利用外场调控电子自旋的量子状态,从而实现所需的物理操作;(3)自旋的探测:成功探测自旋的相干状态是利用量子自旋的必须手段.自旋电子学是实用性较强的学科,带有明确的功利性.由于电子自旋是相对论和量子论相结合的产物,它本身包含了许多基本的课题,但被传统的半导体理论所忽略.对自旋的深入研究,使我们有机会更深入地了解量子力学的基本原理.本文并不打算全面介绍自旋电子学发展现状,我们只集中介绍实现自旋电子学所不可缺少的一个物理量“自旋流”.从自旋流的定义、它所产生的物理性质和最近有关自旋流探测的实验进展等三个方面来阐述.2 自旋流和自旋轨道耦合由于电子带有电荷,电子的定向运动会产生电流,它可以传输能量和信息.虽然电子同时具有内禀的自旋,在一般的电子器件中,导电电子的自旋取向是完全无规的.从整体来看,电子自旋完全没有产生任何物理的效应.在引进自旋流的概念之前,我们首先回顾一下在多体理论中是如何定义电流的.原则上说,任何多体系统在外场中的哈密顿量可写为H=∑i,σ12m p i-ecAσ2+∑i≠jV ij,式中右边,前者是动能项,后者是相互作用项.我们知道电子的速度算子vσ=∑i p i-ecAσ/m≡-ce・9H9Aσ,σ=↑,↓是自旋指标,在这里我们有意引进了与自旋相关的矢势Aσ,以便定义自旋流.原则上说,如果能解出系统的能量本征值E(A↑,A↓),我们就能算出相关的电流je=-e(v↑+v↓)=-e9E9A↑+9E9A↓.但一般来说,电磁场的矢势Aσ是和自旋无关的,A↑=A↓,以致相关的电流也和自旋无关,v↑=v↓.所以我们一般只有电流而没有所谓的自旋流.在考虑了电子自旋后,如果说自旋向上的电子速度不等于自旋向下的速度,例如v↑=-v↓,我们发现系统的电流je≡0,但是很显然,(v↑-v↓)≠0.这个量与电流无关,但可以用来描述电子自旋的运动.考虑电子自旋的单位为 /2,自旋流可以定义为js=2(v↑-v↓).这里我们说自旋向上或向下,实际上已经确定了自旋的方向.理论上说,如果矢势是自旋相关的,A↑≠A↓,这样系统就有可能产生自旋流.在多体系统中,矢势怎样才能和自旋相关呢?从自旋的起源来说,它是一种相对论的量子效应.这自然引导我们从相对论量子力学的基本原理来重新检讨相关的问题.通常电子自旋只和外磁场发生相互作用,即Zee man耦合.而电子自旋和外电场的相互作用是通过所谓的自旋轨道耦合来实现的.自旋轨道耦合首先是在原子物理中被认识到的,可以从经典理论定性地理解:当电子绕着原子核运动时,相对电子来说,带正电的原子核绕着电子运动.运动的原子核产生一个环状的电流.这个电流会在电子处于的原点产生一个垂直于环面的磁场.这个磁场作用在电子自旋上,导致所谓的自旋轨道耦合.考虑到相对论的量子修正,它的大小为ΔV=12m2c21r9V9r S・(r×p)=12m2c2( V×p)・S,式中V为电子和原子核之间的库仑相互作用.这个效应将电子的自旋S与电子的动量p和外场V耦合在一起.从相对论量子力学的观点来看,这个效应来源于正负电子状态之间的相互作用.2m c2实际上反映了正负电子态之间的能隙,大小为1个Me V.通常这个效应比较小,只会在原子体系中出现,例如对原子光谱的影响.虽然在单个原子中,自旋轨道耦合是比较微弱的,但它在某些晶格体系中得到了放大.在固体晶格中,由于晶格的周期性,电子的能谱在倒格矢空间中会形成一定的能带结构.如果晶格系统不具有空评述间反射对称性,自旋轨道耦合在一些特定的区域会得到放大.例如,在破坏了结构对称性的半导体I n 2Ga A s/I n A l A s 二维电子气中,在Γ点附近的电子会感受到强烈的自旋轨道耦合,即Rashba 作用H =p22m+λ(p ×σ)z ,耦合系数λ具有速度量纲[7].一个典型的数量级为λ～10-4c (c 是光速),耦合系数λ反比于半导体中导带和价带之间的能隙.这个值通常是1e V 的量级,和单原子中正负电子之间的能隙相比,整整小了6个数量级.换句话说,在这个系统中,自旋轨道耦合放大了6个数量级,它所导致的能级劈裂已在实验中观测到.这个系数本身可以通过外场来调节.从这样一个具有自旋轨道耦合的系统中,电子的速度算子为v =1mp +ecA σ,(A σ=λm cez ^×σ).我们发现,自旋轨道耦合会导致一个自旋相关的矢势[8].结合电流和自旋流的定义,我们可以说,自旋轨道耦合可以为系统提供一个自旋相关的矢势,这个矢势为自旋流的产生提供了可能.自旋流有它特有的性质.首先它是一个张量,J αs = 2{σα,v},不仅取决于电子的运动方向,还取决于电子自旋的极化方向.不同的极化方向会产生不同的物理结果.一般的电流J e =-ev 在时间反演下,t →-t ,速度v →-v ,而电荷将维持不变,即e →e .这个性质决定了j e →-j e ,即在时间反演下,电流要改变方向.而对于自旋流J αs = 2{σα,v},由于自旋在时间反演下σ→-σ,因此在时间反演下自旋流是不变的.这个性质的本身决定了自旋流是低耗散的,甚至为无耗散的.这一点可以从有阻尼的谐振子运动方程来理解:m x ¨=-kx +λx ・.能量耗散来源于阻尼项λx ・.当λ=0时,谐振子的能量是守恒的,而运动方程在时间反演下是不变的.当阻尼项出现后,它破坏了时间反演进而引起了能量耗散.然而,自旋是否引起耗散的问题,目前还是个有意义的课题.在自旋霍尔效应中,电流所导致的自旋流是无耗散的,但电流本身是有耗散的.一般来说,自旋本身和系统晶格的耦合是相当弱的,与声子本身没有直接的作用,所以传输中的自旋流的耗散,如果有的话,应该是很低的,这也是自旋流优点之一.自旋流另一个特点是它的非守恒性.由于自旋本身不像电荷那样是守恒的,现在所定义的自旋流都是不守恒的.在物理学中,所有的守恒流都对应一个对称性,如电流守恒是有U (1)对称性的.破坏自旋流守恒的因素很多,如杂质散射、自旋轨道耦合及核自旋等.自旋流的非守恒性导致有关自旋流定义的争论[9].本文作者的意见是,关键是要看非守恒的自旋流是否是物理的.随着近期的实验观察证实它是可以产生可观察的物理现象,这个问题答案应该肯定的.下一个问题是,自旋流的存在范围.我们并不期待自旋流能像电流一样用高压电线来长距离传输,它的应用只会在介观或纳米尺度的电子器件中,所以自旋流的应用尺度应该是限制在自旋相干长度内.对于半导体材料而言,是几个或几百个微米之间.现在已有实验数据表明,半导体异质结中自旋相干长度是可通过外场来调节的.因此,寻找具有超长的自旋相干长度的半导体材料是自旋电子学的发展方向之一.3 自旋流产生的物理效应要控制和利用自旋流,首先需要了解自旋流能产生哪些物理效应.在过去几年中,我们对自旋的性质有了深入的研究和理解,特别是有关自旋霍尔效应的研究使自旋流成为目前凝聚态物理中的一个重要课题.3.1 自旋流与电场由B i ot 2Savart 定理可知,电流可在空间中产生一个环绕电流的磁场.与之相对应的是一个磁偶极矩的流可以产生一个电偶极矩场,这个电场是可以计算的.一个简单的方法是将自旋流设想为正负两种磁“荷”±q mc 相对运动,而两种磁场的距离为δ.当δ→0+和q mc →+∞,我们可以得到一个有限的磁偶极矩m =q mc δm ^(m ^为流极化方向).这样自旋流可唯象地看成一组运动的磁偶极矩,每个磁偶极矩会产生磁场[10].在洛伦兹变换下,这个磁场就会转化为电场.对于自旋流J m δV 而言,它产生的电场分布为E =∫μ4πJ m d V ×1R 3m ^-3R (R ・m^)R2.这个电场较小,但还是可观测的.3.2 自旋流在电场下的运动在电动力学中,我们知道电流在磁场的作用下会感受到切向的洛伦兹力F =j c ×B .那么作为对应,自旋流是否会在电场下感受到任何经典作用力呢?本文作者研究发现[8],作为非相对论极限下的结果,自旋轨道耦合会导致一项依赖于自旋和外场评述的反常速度δv=e4m2c2σ×ε.从海森伯运动方程和量子力学的对应原理,我们可以推出一个类似牛顿力学第二定律的算子方程.对应于任何量子态而言,我们发现m〈d vd t〉=e2│ε│4m2c2Jεs×ε,其中自旋流定义为沿电场方向极化,Jεs=4〈{v,σ・εε}〉.像电流一样,多体系统的自旋流可为一个宏观量.这个结果表明,自旋流在电场下感受到的力正比于沿电场方向极化的自旋流的大小和电场的平方,力的方向垂直于电场和自旋流的流向.这一点十分类似于洛伦兹力,但由于该力正比于电场的平方,又完全不同于洛伦兹力.对于自由电子而言,这个力是非常微弱的,但对于调控量子自旋来说,它已是足够产生可观测的效应.例如它仍可看作电子波包蠕动(zitterbe wegung)的物理起源.半导体系统为检测这个相对论量子效应提供了可行的平台.相比于正电子和负电子之间的能隙2m c2=1.06Me V,一个典型的导带和价带电子之间能隙只有e V量级.自旋轨道耦合是反比于能带间的能隙,因此半导体中有可能存在较大的自旋轨道耦合,从而产生可观测的物理结果.对于具有Rash2 ba作用的系统,H R=λ(p xσy-p yσx),它等价于一个有效电场垂直于二维平面的体系.电子是限制在二维范围内运动,这个体系的自旋切向力为F=4m2λ22J z s×z^.3.3 自旋流与自旋积累自旋流产生的一个直接的物理结果是自旋流在边界条件下会产生自旋积累.由于自旋积累本身不像电荷积累会产生一个电场或其他的动力,它只能靠自旋扩散来达到平衡.因此自旋扩散长度和自旋弛豫时间在自旋积累问题中是十分重要的.一般来说,自旋流Jαs和自旋密度分布Sα(r)可以用一个连续性方程来描述[11]9Sα9t+ ・Jαs=-Sατs- ρτ,其中ρτ是力矩偶极密度.对于一个平衡态来说,自旋密度不随时间变化.在系统体内,自旋流和力矩密度的散度都是均匀的,但在边界上自旋流应该为零.这样从体内到边界 ・Jαs 是不为零的,从而在边界会产生非均匀的自旋分布Sα(r)≠0.从物理上说,只有自旋扩散才能平衡体内的自旋流.通常我们引进自旋相关的化学势μσ来描述扩散过程.扩散方程的形式为[12]2(μξ(r)-μψ(r))=μξ(r)-μψ(r)D2,其中D为扩散系数.这个方程的解取决于边界条件和体内自旋流分布.一般来说,自旋分布的幅度正比于体内自旋流的大小,而分布按幂指数衰减e-r/D.扩散长度决定了自旋积累的范围.3.4 自旋流的散射效应纯自旋流是具有时间反演不变性的.当它受到自旋相关的杂质或势垒散射时会产生电流或电势差.一个最简单的图像是,观察纯自旋流通过一个自旋相关的一维势垒的散射.这个势垒的自旋劈裂可以由外磁场产生.假设自旋向上的势垒高于自旋向下的的势垒,这样对于具有相同动量的电子来说,自旋向上的电子的透射系数Tξ会小于自旋向下的透射系数Tψ.假设纯自旋流由两组自旋不同而运动相反的电子组成,其结果是产生的电流正比于(Tξ-Tψ).自旋流可以通过逆的自旋霍尔效应产生电流.由于散射机理不同可分为内禀和外在的两种.外在机理是由杂质势或Mott散射引起的[13].一般说来,杂质势是具有自旋轨道耦合的,即LS耦合,V=ξ(r)L・S.如果角动量方向确定,对于不同自旋的电子,由于〈L・S〉的数值不同,所以受到的散射是不对称的,这个性质是英国物理学家Mott早在1929年发现的.因此,自旋流受到这种杂质势的散射会产生一个横向的电流.对于有限宽的条状样品,由于边界的限制,可以产生霍尔电压.另一类内禀机制是由源于电子能带相关的自旋轨道耦合引起的[14].对于具有破坏结构反射对称性的二维电子气,垂直平面极化的自旋流在强烈的Rashba自旋轨道耦合作用下会产生自旋切向力,F=4m2λ22J z s×z^,在弛豫时间(τ)近似下,会产生一个垂直于自旋流的漂移速度〈vy〉4mλ22J z sτ,从而形成霍尔电流.进一步的研究表明,对于介观系统(小于自旋相干长度)而言,自旋流的自旋极化方向和自旋轨道耦合的对称性对散射效应起了决定性作用.例如平面内极化的自旋流在Rashba系统中产生不同形评述式的电流效应[15].4 自旋流的产生和测量在过去几年里,关于自旋流的产生和测量无论在理论方面还是在实验方面都取得了重大的突破.在理论方面,H irsch重新讨论了自旋霍尔效应[16],电流基于杂质散射可产生自旋流以及自旋流产生电流的现象.进一步研究发现,破坏反射对称性的能带结构也可产生内禀的自旋霍尔效应[17,18].这些效应的讨论为自旋流的测量提供了理论基础和方向.已经有几个实验组用不同的方法成功地完成了自旋流的注入和探测.本文将介绍产生自旋流的方法以及相关的实验结果.这些方法是基于自旋霍尔效应的电注入法,利用铁磁电极的侧向非局域几何注入法,和利用偏振光照射的光注入法.从测量手段来说,主要有光测量和电测量两大类.4.1 自旋霍尔效应和电注入自旋流自旋霍尔效应提供了一种方便和有效的产生自旋流的方法.当系统加上一个外电场时,由于自旋轨道耦合的作用,一个顺磁体系可以产生一个垂直于电场的自旋流.这个自旋流的极化方向垂直于电场和流向的平面.早期的理论预测的自旋流是由自旋向上和向下的电子受到杂质势的不对称散射而产生的,被称为外在的自旋霍尔效应[13,16].近期的研究表明,能带结构本身由于自旋轨道耦合引起的劈裂,在没有杂质散射的情况下,也能产生横向的自旋流,被称为内禀的自旋霍尔效应[17,18].这个效应是将电流转化为自旋流.同样的原因,也可将自旋流转化为电流.第一个用电场产生自旋流的报告来自美国UCLA的Awschal om小组在Ga A s和I nGa A s薄膜上的光学测量[19].在样品大小为77×300μm2长条上,加上几个mVμm-1量级的电场,他们用扫描Kerr旋转方法测量样品边缘的由于电场产生的自旋分布.实验显示样品两边的自旋积累的方向是相反的,符合自旋霍尔效应的预测.由于Ga A s样品没有破坏结构反射对称性,这个效应应该是由杂质散射引起的.而自旋积累本身也是由杂质势引起的扩散机制产生的.这个实验并没有直接测量自旋流,而是测量自旋流引起的自旋积累.与此同时,英国剑桥的W underlich等人利用(A l,Ga)A s/GaA s样品,由一个二维空穴气体和一个二维电子气体的边缘形成了p2n结型的发光二极管[20].二维空穴气体破坏了结构反射对称性而产生强烈的自旋轨道耦合.当电流通过该层时,在边缘的载流子(电子和空穴)复合会发出光子.该实验是通过测量发光二极管在通过电流后产生的光的圆偏振度,它是和载流子的自旋极化成正比的.实验结果表明,该发光二极管发出的光有一定的偏振度.这个实验结果可以由电子能带的自旋轨道耦合引起自旋流来解释,其机制是内禀的.台湾大学的实验小组在I nGa N/Ga N超晶格中,通过截面荧光光谱的偏振度的测量,确定电流引起的自旋极化,证实了自旋霍尔效应.他们还进一步发现材料内部张力对该效应的影响[21].4.2 侧面非局域注入自旋流侧面非局域几何结构的自旋注入和探测始于1985年.Johns on和Silsbee利用两个铁磁电极接在铝(A l)条上,自旋极化的电流可以从一个铁磁电极注入,在注入点附近会产生非平衡的自旋积累[22].由于扩散的原因,自旋积累会逐渐扩散开去,形成自旋分布.自旋积累可通过测量第二个铁磁电极上的电压而推导出来.Jedema等人[23]在薄膜器件中,利用非局域结构,在室温下完成了自旋的注入和探测.相关技术在不同的系统中都得到了应用.最近,美国哈佛大学的Valenzuela和Tinkha m利用这个方法成功地完成了纯自旋流的注入和探测[24].他们将铁磁电极接到铝条上,利用磁性隧穿效应将极化电流成功地注入到铝条中.这个极化的电流会引起费米面附近的化学势的自旋劈裂.自旋相关的化学势的非均匀分布可产生极化的电流.化学势在空间是连续分布的,在注入点附近,自旋上下不同的化学势是劈裂开的.由于另一端没有电流流过,不同自旋的化学势只能是大小相等,符号相反.由于扩散的作用,化学势会在自旋相干长度内趋于相等.这个非均匀的化学势分布导致一个自旋流的出现.自旋流只出现在距注入点有效自旋相干长度的范围内.自旋流的测量是利用反自旋霍尔效应.自旋流受到自旋轨道耦合的散射,形成横向电流.他们通过测量霍尔电流成功地证实这种方法可注入纯自旋流.值得注意的是,这个实验是利用了扩散的原理,可以在室温下实现.日本的Sait oh等人[25]利用这种技术在铝中观察到自旋霍耳效应.Ki m ura等人[26]利用相类似的原理,在铂(Pt)的样品中和室温下观测到自旋霍尔效应.他们还验证了自旋霍尔效应和反自旋霍尔效应之间的Onsager关系.另一个重要的结果是,他们测评述。
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FM层间的振荡耦合――SMOKE
丘子强等 1992 Fe/Mo/Fe
单层膜厚度 t 的限制
金属：t（≈2nm ）《 λ(≈20nm)《 Ls (≈200nm）
MR ( R0 RH ) R0
a，增大分子。需远小于”自旋弛豫长度“。两流体近似。
b，减小分母。需远小于”平均自由程“。弹性散射。
D D d d 2 D d 0
D d 2 0
不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的） 定义
TMR I I
I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
J e N1 N 2
重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象的差别
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 1 隧道效应 2 隧道磁电阻效应 3 扫描隧道显微镜STM 4 自旋极化STM 5 ......... 势垒 绝缘体 绝缘体 真 空 真 空 电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品
自旋电子学及其相关领域前 沿科学研究
主讲人：许小红
一、巨磁电阻效应（GMR）
二、隧道磁电阻效应（TMR）
三、稀磁半导体（DMS）
一、巨磁电阻效应（GMR）
2007 Nobel 物理奖—巨磁阻效应
Peter Gruenberg 彼得· 格林贝格尔
Albert Fert 阿尔贝· 费尔
巨磁电阻（GMR）效应
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
）
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
Buffer TMR 磁性隧道结
隧道磁电阻
GMR
TMR
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应
Free ferromagnetic layer
N N
S S
Barrier
Resistance
Rap
S N
N S
Pinned ferromagnetic layer
Rp
N N
S S
0
TMR ratio＝
Rap- Rp Rp
M(H) magnetization
M/MS
Spin-Valve (SV)
AFM
HEB
AFM
H
AFM
R/R
R(H) magnetoresistance
AFM
AFM
AFM
0 HEB
Spin valve (SV) – M(H) & R(H)
FeMn/Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20
R+ R
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
散射过程中没有自旋反转 S↑电子未被d ↑（ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d ↑在Fermi面没有状态)
S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大) 结果：
低温电阻率（Spin－flip 散射 0）
Mott模型和GMR效应（1） 按Mott模型（看上图） 1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， R s电子与（Majority）d 电子散射弱，
电子自旋与所在层磁矩 相反时， R s电子与（Minority）d 电子散射强。
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P P2 1 P P2 1 1
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1 Fe 0.44, P2 Co 0.34
Magnetic field x100 (%)
Rp ： Resistance in parallel magnetization configuration Rap ： Resistance in antiparallel magnetization configuration
自旋相关散射(磁电阻效应)
Lspacer [layer]
TMR大于2000 ％ ！！！
隧穿现象
“M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率
T J tran J in Vt t
2
Vi i
2
用 WBK 方法计算波函数
结果：
计算穿透率 T
自由电子平面波情况
x2 T exp 2 h 2mV E dx exp 2 I x1
隧道磁电阻
TMR与GMR之比较
隧穿磁电阻（TMR）同金属多层膜以及自旋阀(spin valve)的巨磁电 阻(GMR)效应有相似的应用，但它比自旋阀具有更高的磁电阻比值 及相似的翻转磁场，因而可以有更大的灵敏度，且有内阻高、功耗
低、输出电压高等特点。
TMR和GMR都可以在室温使用！！！
（注意：数值大小是 D d d D
）
Julliere公式（2）
比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ?
问： I >
I ？
这就是TMR效应
证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然
D D d d D d D d 2 D d
1
电导的自旋相关因子
两流体模型（3）
α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零 I.A.Cammpbell and A.Fert (1982)
Mott两流体模型(4)
计入Spin－flip 散射（热自旋波散射）， 高温电阻率
[ ] 4
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极
p2 D2 D2 D2 D2
简单代数运算，就得到 Julliere的公式，
TMR 2P P2 1 P P2 1 1
R/Ro
Sy-antiferromagnetic Spin valve
Pseudo-Spin valve (non-coupled)
Magnetic field, H
隧道磁电阻
最新进展－量子振荡 TMR
FM I
EF
NM FM
TMR
kF k
Lspacer
cp
Clean Disordered
隧穿电流 Simmons 公式！（1963）
应该计入 Fermi－Dirac 统计
Ef 2 4m 2 h 3 T Vr 2m dEx f 0 E r E x dEr N1 0 0
(1) → (2) 电子
(2) → (1) 电子
隧穿电流
Ef 2 2 3 4m h T Vr 2m dEx f 0 Er E x eV dEr N2 0 0
NiFe2.8nm/Co2.1nm/Cu2nm/Co3nm
8 M1 M2 M1 M2
1,5
7
1,0 0,5
6
M [T]
R/R [%]
5
0,0 -0,5 -1,0
4
3
2
M1 M2
M1 M2
1
-1,5
0 -15 -10 -5 0 5 10 15
-10
0
10
Field [kA/m]
Field [kA/m]
隧穿磁电阻 (TMR) 效应
“FM－I－ FM” 结 发现
M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
FM(Ni-Fe) (Al-O)
S1
S2
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
隧道磁电阻
伪自旋阀
Capping layer
Free layer Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer Seed layer Underlayer Ta CoFe CoFe IrMn, PtMn NiFe, NiFeCr Ta
-0,8
0,0
0,5
-30
-20
-10
0
10
Field [kA/m]
上下自旋平行时电子 容易通过--低电阻态
上下自旋反平行时电 子被散射—高电阻态
二、隧道磁电阻效应（TMR）
隧道磁电阻
（二）隧道磁电阻（TMR）的发现与 新进展
1975 年在铁磁/半导体/铁磁三层膜中的磁隧穿测量， 是在低温4.2 k 进行 平行和反平行磁化状态对应的电导 相对差别为14％，这就是最早的隧穿磁电阻（TMR） 效应。 静止20 年后，1995 年日本科学家宫崎照宣报道了电导 的相对变化在室温下达到18％，同年美国MIT 研究组 也报道了类似结果，这是GRM 效应之后最重大的进展。 于是，在世界范围掀起了自旋电子学研究和开发的第 二个高潮。