磁电子学
磁电子学中的若干问题
第17卷 第2期物 理 学 进 展V o l.17,N o.2 1997年 6月 PRO GR ESS I N PH YS I CS June.,1997 磁电子学中的若干问题蔡建旺 赵见高 詹文山 沈保根(中国科学院物理研究所&凝聚态物理中心磁学国家重点实验室 北京 100080)提 要本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容;全面总结了铁磁金属的磁电阻效应(AM R)、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应(G M R)、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应(C M R)以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应(TM R)研究中具有代表性的实验结果及理论模型;简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器(M RAM)和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。
一、引 言电子既是电荷的负载体,同时又是自旋的负载体。
以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴(即多数载流子和少数载流子)的输运特性为主要内容的微电子学是二十世纪人类最伟大的创造之一。
众所周知,在这里自旋状态是不予考虑的,电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制。
人类是否可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程?回答是肯定的,它正是磁学研究的最新前沿—磁电子学所要研究的主要内容。
我们知道,在铁磁金属中,由于交换劈裂,费密面处自旋向上与自旋向下的电子态密度不等,因而自旋向上电子载流子数与自旋向下电子载流子数是不等的,故在电场的推动下,铁磁金属中的传导电子流必定是自旋极化的。
事实上,七十年代初有人通过超导体特殊的能带结构,利用“超导体 非磁绝缘体 铁磁金属”隧道结检测出穿越绝缘体势垒的隧道电子流是自旋极化的电子流[1,2]。
此外,也正是由于铁磁金属在费密面处自旋向上与自旋向下的电子态密度不等,它们对不同自旋取向的电子的散射也不一样[3,4]。
今天,人们还认识到,来自铁磁金属的自旋极化的电子流在其进入非磁性金属后,由于非磁金属中大多数的电子散射并不引起自旋的翻转,因而在相当长的自旋弛豫时间内或者说在相当大的自旋扩散长度范围内(室温下,为微米数量级),其自旋方向将保持不变[5—8]。
自旋电子学与自旋器件
自旋电子学与自旋器件自旋电子学是一门研究自旋电子在材料中运动和相互作用的学科，自旋器件则是通过利用自旋电子在材料中的特性设计和制造的电子器件。
本文将探讨自旋电子学的基本概念、自旋器件的分类以及其在现代科技领域的应用。
一、自旋电子学的基本概念自旋是电子的一种属性，类似于地球上物体的旋转。
电子的自旋可以看作是围绕其自身轴心旋转产生的磁矩。
自旋电子学研究的重点在于如何控制和利用电子的自旋，以实现信息的存储和传输。
在自旋电子学中，自旋电子可以被视为一种具有两个自旋态的粒子，即自旋“上”和自旋“下”。
通过施加磁场或利用特殊材料的相互作用，可以使电子在两种自旋态之间进行转换，这就是自旋翻转。
二、自旋器件的分类根据自旋器件的功能和工作原理，可以将其分为自旋阀、自旋场效应器件和自旋传感器。
1. 自旋阀自旋阀是利用自旋选择性的非磁性材料与磁性材料之间的界面耦合效应，实现电子自旋的注入和控制。
自旋阀可以用于构建自旋电子学器件中的自旋输运和调控单元。
2. 自旋场效应器件自旋场效应器件是一种利用电场调控电子自旋输运的器件。
它通过在材料中引入外加电场，调节自旋电子在材料中的能级分布，从而控制电子的自旋转变和输运。
3. 自旋传感器自旋传感器是一种利用自旋电子特性感测外部物理量或环境变化的器件。
通过监测自旋电子在材料中的状态变化，可以实现对温度、磁场、电压等物理量的测量和监测。
三、自旋电子学在现代科技领域的应用1. 自旋磁电子学自旋磁电子学是自旋电子学的一个重要研究方向。
它利用自旋自旋转变和磁性材料的相互作用，实现磁性存储器件和磁性传感器的控制与调节。
自旋磁电子学在信息存储、计算和通信等领域具有广泛的应用前景。
2. 自旋输运与量子计算自旋输运是自旋电子学的核心内容之一，其目标是实现自旋信息的传输与控制。
自旋电子学中的自旋传输和调控单元可以用于构建量子比特和量子电路，用于实现量子计算和量子通信。
3. 自旋电子学与磁效应材料自旋电子学与磁效应材料的研究相互关联，相互促进。
自旋电子学是近些年来在半导体电子学和磁电子学基础上发展起来的一门新兴交叉学科
自旋电子学是近些年来在半导体电子学和磁电子学基础上发展起来的一门新兴交叉学科。
丰富的物理内涵、明确的应用目标以及广阔的市场前景,自旋电子学已成为当今凝聚态物理和材料科学领域最为关注的方向之一。
其中,巨磁电阻的发现及在自旋器件上的应用是最有重大影响力的成果。
非易失性存储器和高密度磁存储器的诞生,不仅给基础研究注入了活力,更为市场带来了巨大的经济效益。
巨磁电阻研究的关键在于如何获得更为实用的低场室温磁电阻效应。
具有高自旋极化率的半金属材料,如掺杂锰氧化物,CrO2,Fe3O4等成为研究者的首选。
无论是提高半金属材料的内禀磁电阻,还是外禀磁电阻,都有着极大的研究和应用潜力。
研究表明,半金属颗粒复合体中,颗粒边界对低场磁电阻产生和增强有重要作用,调节颗粒边界势垒已成为颗粒体系中磁电阻增强的有效实验途径。
此外,掺杂锰氧化物中,3d/4d/5d 过渡族金属氧化物材料日益受到人们的关注。
在这类新型的磁电阻氧化物中,4d或5d金属离子较3d金属离子具有宽的d轨道和电子巡游特性,d电子与氧的2p电子存在较强的杂化作用。
自旋,轨道和晶格间的相互耦合,引起材料中大的电、磁响应以及巨磁电阻等丰富物理现象,为磁电阻材料研究范围的拓宽以及强关联电子体系中物理性质的探讨提供了新的实验依据。
另一方面,磁致冷技术的飞速发展使得凝聚态物理工作者越来越关注磁性材料的磁热效应。
传统的气体制冷存在众多的缺点,相比之下,磁制冷具有熵密度高、体积小、噪音小、无污染、高效低耗等独特优势。
磁制冷研究的关键在于获得室温附近大的磁热效应。
传统的金属钆（Gd）以及近年来报道的Gd5(Ge1-x Si x)4和La(Fe13-x Si x)等合金都是具有大磁熵变的磁性材料。
然而,这些材料中稀有金属的昂贵,化学性质的不稳定,居里温度单一,磁滞与热滞现象严重等因素,使得磁制冷技术的应用步履维艰。
值得注意的是,具有庞磁电阻的掺杂锰氧化物同样表现出了大的磁熵变效应,这一发现大大拓宽了磁制冷工质的研究范畴。
磁化反转机制
磁化反转机制
磁化反转机制是指在不需要外加磁场的情况下，通过注入自旋极化电流来改变铁磁层的磁化方向的过程。
具体来说，磁化反转机制涉及到的物理现象是电流感应的磁化翻转。
在这个过程中，自旋极化电流（即电流中的电子自旋方向有一个特定的偏好）被注入到铁磁层中。
由于自旋极化电流携带的自旋角动量可以与铁磁层中的磁性原子相互作用，这种作用能够改变铁磁层中磁性原子的自旋排列，从而使得铁磁层的整体磁化方向发生改变，甚至发生翻转。
这种现象在磁电子学领域非常重要，因为它是磁性随机存取存储器（MRAM）等自旋电子学设备工作的物理基础。
磁化反转机制的研究对于理解和设计新型的磁性存储和逻辑器件具有重要意义，因为它提供了一种无需外部磁场即可操控磁性状态的方法，这对于实现更高密度、更低功耗的磁性数据存储设备至关重要。
第6章_自旋电子学_1
XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度 下， Co/Cr 淀积系统 GMR比率 随着铬(Cr) 间隔层厚度 变化 (from S.S. Parkin et al [21]).
XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
• 巨磁阻材料
材料与结构
– 除了最初的Fe/Cr材料的多层结构，多晶 Co/Cu材料多层膜有更好的性能 – 多种材料结构中都发现了巨磁阻现象
GMR现象及解释
膜厚的影响
Co/Cu结构系统中GMR比率随着铜层厚度而变化
(from S.S. Parkin et al [22]). XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度下， Co/Ru 系统中 GMR比率随 着 钌（Ru） 间隔层的厚度 而变化 (S.S. Parkin et al ).
Magnetic field (kG)
GMR
=
R AP − R P RP
XIDIAN506LAB
巨磁阻发现
效应
• 两 个 研 究 团 队 分 別 在 4.2K 温 度 和 室 温 下，对各自研制的磁性多层薄膜系统磁 电阻予以测量。 • 费尔教授在 4.2K 的低溫，在(Fe/Cr)n， n = 60系统中测量得到50% 磁阻变化。 • 格林贝格尔教授則在室溫下，测量 Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大約1.5% 的 磁 阻 变 化 ， 随 后 又 在 低 溫 下 Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系統中测得约 10% 的磁 阻变化率。
磁耦合振荡
长周期振荡
S. S. P. Parkinet. al. PRL 64, 2304 (1990).
短周期振荡 周期～2个原子单层（约0.3纳米） 周期～3个原子单层（约0.45纳米）
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”
磁电子学和磁观测
磁电子学和磁观测磁电子学和磁观测是当代物理学领域中非常重要的研究方向。
磁电子学主要研究的是固体材料中的磁性电子行为，而磁观测则是通过观测自然界中的磁现象来研究物质的性质和变化。
1. 磁电子学的基础磁电子学的基础就是关于磁性电子的物理机制。
在物理学中，电子是最基本的带电粒子，它们在磁场中会受到洛伦兹力的作用。
当物质中的电子自旋方向相同并且具有相同的能量时，它们就会形成一个磁矩，从而产生磁性。
在实际应用中，人们可以通过在物质中施加一个外磁场的方式来控制电子的自旋方向，从而实现对材料的磁性进行控制。
这种通过磁场来控制物质性质的技术被称为磁控制技术。
2. 磁电子学的应用磁电子学的应用非常广泛，其中最为典型的例子就是计算机和手机中的磁存储设备。
在这些设备中，利用磁性材料作为储存介质，可以实现数据的快速存储和读取。
此外，在航空航天领域，磁电子学还被用于制造感应电动机和自动驾驶系统等。
除了上述应用外，在能源领域和医学领域也涌现出了很多新的磁性材料和设备。
例如，通过应用磁电子学的技术，人们可以制造出高效的磁浮列车，也可以发展出清晰的磁共振成像设备，这些技术将会对人类社会的发展产生重要的影响。
3. 磁观测的意义磁观测则是通过观测自然界中的磁现象来研究物质的性质和变化。
例如，在地球表面的磁场中，可以观测到一些奇特的现象，从而了解地球内部和外部的环境变化。
此外，人们还可以借助磁观测技术研究太阳风、宇宙辐射等现象，有助于对宇宙演化和宇宙起源等问题进行深入探讨。
在科学研究中，磁观测也被广泛应用于材料研究和生物医学等领域。
例如，使用超导量子干涉仪可以测量出磁性材料中具有纳米尺度的磁偶极矩，对相关的物理学机制进行深入探究。
同时，人们也可以利用磁共振技术对生物体的结构和功能进行研究。
总之，磁电子学和磁观测在现代科学中发挥着非常重要的作用，对人类社会的发展产生着深远的影响。
随着科技的不断进步，磁电子学和磁观测技术将会发展出更广泛和更深入的应用。
磁电子学大纲
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课程编号：5030132
磁电子学(Magnetoelectronics)
开课学院：材料科学与工程学院
总学时：32
学分：2
先修课程：固体物理，量子力学
教学目的：本课程教学对象为磁电子学领域的硕士或博士研究生，目的是让研究生初步了解磁电子学的根本理论、开展现状与应用背景。
考核方式：专题报告
课程主要内容：
第1章导论〔6学时〕
包括磁电子学的根本概念、巨磁电阻效应与高温超导电性间的关联与渗透、半导体磁电子学、关于莫尔定律的讨论等等。
第2章巨磁电阻(GMR)效应〔7学时〕
包括磁电阻和电子输运与磁性的关联效应、巨磁电阻的发现与其主要实验现象、多层膜巨磁电阻效应材料的开展、CPP模式下的巨磁电阻效应、颗粒体系的巨磁电阻等。
第3章巨磁电阻效应的机理与影响因素〔6学时〕
包括层间耦合效应的唯象描述和耦合类型与强度确实定、自发磁化的能带模型与自旋相关散射、多层膜GMR的唯象理论——双电流模型、CPP-GMR的理论模型等。
第4章自旋阀和隧道巨磁电阻效应〔6学时〕
包括自旋阀效应的发现与其工作原理、交换各向异性的机理、隧道巨磁电阻效应。
第5章磁电子学的应用〔7学时〕
包括巨磁感应效应与其应用、巨磁电阻传感器、磁记录读出磁头、磁电阻随机存取存储器、自旋晶体管和量子计算机等。
参考书目：
焦正宽，《磁电子学》，某某大学，2006.6.
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夏柯 磁子学
夏柯磁子学磁子学（Magnetronics）是一门研究磁性材料的电子学科。
它是磁电子学（Spintronics）的一部分，旨在利用磁性材料的自旋操控电子的性质来开发新型的电子器件和信息存储技术。
夏柯（Magneto）是该学科的先驱者之一，他于20世纪60年代首次提出了磁子学的概念。
磁子学是在电子学领域的一个新兴研究方向，它将磁性材料的特性与电子学相结合。
一般而言，电子学研究的是电荷的运动，而磁子学则关注电子的自旋。
自旋是电子特有的量子性质，它类似于一个微小的磁偶极子，可以看作是电子围绕自身旋转的角动量。
在磁性材料中，电子的自旋可以与材料的磁性相互作用，从而影响电子的运动轨道，进而影响电子的输运性质。
磁子学的一个重要应用是在信息存储领域，特别是磁性存储器。
传统的磁性存储器使用磁性颗粒来存储信息，通过改变颗粒的磁化方向来表示0和1。
然而，这种存储方式的致命缺点是颗粒的体积越小，其磁化方向越容易受到外界磁场的干扰，导致信息的丢失。
磁子学通过利用磁性材料中的自旋操控电子的特性，可以实现非易失性存储器，即信息存储在材料的自旋态中，无论是否有外界磁场的干扰，信息都能够得到保持。
除了信息存储，磁子学还有其他诸多应用。
例如，利用磁性材料的自旋依赖性质可以实现电子的极化控制，从而用于设计新型的自旋电子器件。
这些器件可以在电子的自旋量子态之间进行转换，实现自旋转换器件、自旋滤波器件等，进一步拓展了电子学的应用领域。
磁子学还可以与其他学科相结合，形成多学科交叉的领域。
例如，磁子光学（Magneto-optics）是磁子学与光学的交叉研究领域，研究磁性材料对于光的传播和光学性质的影响。
夏柯也在磁子光学领域做出了重要的贡献，他提出了磁光克尔效应（Magneto-optical Kerr effect），这是磁性材料表面发生的磁光效应。
总而言之，磁子学作为磁性材料的新兴研究领域，利用磁性材料的自旋操控电子的特性，开发了新型的电子器件和信息存储技术。
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。
磁电子学课件
•磁电子学基础—磁学•巨磁电阻材料与应用•自旋晶体管•MRAM器件潘礼庆北京科技大学物理系2007年10月海量信息的物理基础巨磁阻效应所导致的硬盘新技术的出现，帮助人们轻而易举地读取如海洋般浩瀚的信息2007诺贝尔物理学奖1988年，艾尔伯·费尔首先发现了巨磁阻效应虽然格鲁伯格稍晚发现了巨磁阻效应，但他发现之后就申请了专利1.演化过程2.纳米技术3.重要应用4.Spin+electronics=>spintronics总结：欧洲人的发现，美国人的产业，中国人的加工。
1. 磁电子学基础1.1 固体的磁性1）原子的磁矩（μ=-gμB J）；2）Hund定则；3）交换相互作用4）固体磁性的分类；磁有序；5）铁磁性、亚铁磁性与反铁磁性：铁磁性的主要特征：自发磁化、磁畴、居里定律、磁滞回线、磁各向异性1）原子的磁矩（μ=-g μB J ）；核外电子壳层：电子轨道磁矩电子自旋磁矩核磁矩和核四极矩M N =6.33x10-33Wbm(穆斯堡尔谱和核磁共振NMR)中子磁矩为-1.913M N 的核磁矩(中子衍射、中子散射)ll m e M l B μμ−=−=20hP P meM B s μμ20−=−=)(10165.12290Wbm me B −×==h μμm p 质子的质量pm e 20h μ=1. 磁电子学基础Hund定则：Hund定则判断电子占据轨道的方式使基态具有下列特征：•总自旋S取Pauli不相容原理所允许的最大值；•轨道角动量L取与这个S值不相同矛盾的最大值；•壳层不够半满时，总角动量J的值等于|L-S|，超过半满时，等于L+S。
壳层正好半满时，应用第一条法则得到L=0,于是J=S.1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f141. 磁电子学基础1. 磁电子学基础总角动量与磁矩的关系轨道角动量与轨道磁矩：M L =-μB L 自旋角动量与自旋磁矩：M S =-2μB S总角动量与总磁矩：M J =M L +M S =-μB (L+2S)由于L 和S 绕J 进动，矢量L+2S 也绕J 进动，它的大小在J 上的投影M S ：M J =-g μB J给出的磁矩称为饱和磁矩。
磁电子学
铁磁体的相关知识复习
• 铁磁性起源：过渡金属中的两种机制的竞争。 • 铁磁体模型：1.自由电子Stoner模型
h 2k ε (k ) = 2m
2
+ σ
z
∆ 2
2. s-d模型 最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩 模型(最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩 模型 最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩)
• 设l为弹性散射平均自由程，lH为高阻态的平均自由程，lL为低阻态平 均自由程 • 考虑到CIP机制是电子输运在Y方向出现定域化，因此，运用Einstein 电导公式： 2
σ = e Dg ( E F )
• 其中扩散系数D近似用：
vl l D = ( ) 3 L
• 电导率最终写为：
σ H = ClH nH 2 σ L = Cl L n L
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, “Spin transfer torques”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
GMR效应 效应
电流平行于平 面
CIP
电流垂直于平 面
CPP
CIP机制模型建立 机制模型建立
7.2000年，M. Tsoi等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位。 年 等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位。 等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位
8.2003年，S.I. Kiselev等人开始进行直流产生的自旋力矩引起的高频磁化强度进动的稳 年 等人开始进行直流产生的自旋力矩引起的高频磁化强度进动的稳 定态的直接测量。 定态的直接测量。 9.同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究。中间层位氧化铝，氧化镁 同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究。中间层位氧化铝， 同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究 的研究较多
巨磁阻效应
巨磁电阻效应发现的意义及应用
• 费尔和格鲁伯格的系统因为昂贵和复杂仅适用于 实验室研究；在GMR的工业产品化进程中一位在 美国工作的英国人起了重要作用.他的名字叫斯图 亚特· 帕金，他发现应用相对简单的阴极镀膜方法 构造的GMR系统依然可以很好地工作，而不必构 造完美的纳米膜.应用这种技术，在1997年第一块 GMR硬盘问世，之后GMR磁头迅速成为硬盘生 产的工业标准。巨磁电阻的发现，打开了一扇通 向极具价值的科技领域的大门，其中包括数据存 贮和磁传感器.如今全世界有数以千计的科学家正 致力于磁电子学及其应用的研究.
• 英国物理学家N. F. Mot t ( 诺贝尔奖获得者) 指出: 在磁性物质中, 电子和磁性导体中原 子的磁撞几率( 自旋相关的散射) 取决于电 子自旋和磁性原子磁矩的相对取向, 如果电 子的自旋反平行于磁性导体的磁化方向, 其 散射就较强, 这些电子的电阻将比平行自旋 的电子的电阻来得大。
左面和右面的材料 结构相同，两侧是 磁性材料薄膜层 （红色），中间是 非磁性材料薄膜层 （蓝色）
3. “超巨磁阻效应”（CMR）
•在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体。 常见于锰钙钛矿化合物。
二、巨磁阻效应的发现过程
• 磁阻效应最初于1856年由开尔文爵士发现。 1、Fe 和N i 放在磁场中, 发现这 些磁性材料在磁场作用下, 沿着 磁场方向测得的电阻增加, 垂直 于磁场方向测得的电阻减小。 2、电阻增加或减小的幅度约在1 %~ 2 %之间。
• 格林贝格尔的研究小组在最初的工作中只是 研究了由铁、铬、铁三层材料组成的结构物 质，实验结果显示电阻下降了1.5%。而费 尔的研究小组则研究了由铁和铬组成的多层 材料，使得电阻下降了50%。
• 费尔的实验结果。横坐标为磁化强度，纵坐标为 磁化时电阻与无磁化时电阻的比值；三条曲线分 别显示了三种不同厚度结构的铁、铬薄膜层。
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。
磁电子学(中国计量大学)
1.磁电子学也叫“自旋电子学”，就是将电子的自旋自由度引入微电子学；磁电子学（狭义）磁场（改变）磁矩状态电子（控制）电阻；自旋电子学（广义）电场或光（改变）电荷自旋状态（控制）电流定义：磁电子学是通过磁场操纵电子的另一个属性——自旋的相对取向，借助电子传导与磁性间的关联效应，实现对电子输运特性的调制而开发出各种电子器件的一门新兴的科学技术。
2.电子的两个属性（自旋的平均自由程~ 100Å）电荷：电子学（用电场来调制带有正或负电荷的载流子系统的导电行为）自旋：磁学（是研究具有交换作用的电子自旋系统的合作磁行为）3.磁电阻效应Magnetoresistance，简称MR即在外加磁场作用下材料电阻率发生变化的现象。
反映了材料在磁场中电子输运性质的变化。
磁电阻效应的大小通常以外加磁场前后的电阻率的变化率表示，即MR = (ρ(H) − ρ(0)) /ρ(0) 或MR = (ρ(H) − ρ(0))/ ρ(H) ，其中ρ(0)、ρ(H)分别表示磁场为零和磁场为H 时的电阻率。
4.磁电阻效应的分类a)正常磁电阻(OMR)机理：载流子在磁场中运动时将受到磁场的洛伦兹力作用，导致载流子的运动方向发生偏转或者呈螺旋线前进，从而增加了载流子的散射截面，所以外加磁场时其电阻增大，表现出正常磁电阻效应。
值得提及的是，即使外磁场平行于外电场，载流子仍会受到磁场导致的洛伦兹力，因为载流子的运动主要是沿各个方向的无规运动，沿外电场方向的漂移速度只是它们的平均效应。
特点：○1MR>0，即在外磁场下电阻增大；○2磁电阻值一般很小(1%~2%)；○3各向异性：MR与磁场H和电流I间的相互取向有关，且通常R(I⊥H)>>R (I//H)>>0。
b)各向异性磁电阻效应(AMR)1857年，英国物理学家Thomson在铁磁多晶体中发现。
几乎所有的块状金属都具有各向异性的磁电阻效应。
通常这种各向异性的磁电阻效应很小AMR值一般小于3%。
稀磁半导体与自旋电子学
Magnetic Tunnel Junctions
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)
二、基于半导体的自旋电子学
在半导体中有可能实现包括放大器在内的多种功能的自旋电子学器 件。在半导体中和自旋相关的现象比金属中更为丰富。自旋极化除了和 外界的磁、光、电存在各种相互作用以外，在内部也存在多种相互作用： 自旋一轨道相互作用、交换相互作用、电子自旋和核自旋之间的超精细 结构相互作用等。一些新的功能可以通过自旋注入、自旋输运和控制自 旋态来实现。这些涉及半导体材料的自旋研究工作自然就导致半导体自 旋电子学的出现。 按照磁性分类，存在三种类型的半导体：磁性半导体、稀磁半导体 和非磁性半导体
自旋电子学器件的三个层次 按照美国加州大学Awschalom教授的观点，自旋电子学器件 可分为三个层次： 基于铁磁性金属的器件； 自旋注入半导体器件； 单电子自旋器件。
目前进人应用的器件(如 GMR 自旋阀)还只处于第一层次， 对于自旋控制和自旋极化输运的了解处于较为肤浅的阶段， 对各种新现象、新效应的理解基本上只是半经典的和唯象的。 因此，自旋电子学的发展还面临很多更大的挑战，当然，机 遇与挑战是并存的。
磁电子学器件应用原理_蔡建旺
第26卷第2期物理学进展Vol.26,No.2 2006年6月PROGRESS IN PH YSICS Jun.,2006文章编号:1000-0542(2006)02-0180-48磁电子学器件应用原理蔡建旺(中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室,北京100080)摘要:本文介绍几种重要的磁电子器件的基本结构和工作原理,包括巨磁电阻与隧穿磁电阻传感器、巨磁电阻隔离器、巨磁电阻与隧穿磁电阻硬盘读出磁头、磁电阻随机存取存储器、自旋转移磁化反转与微波振荡器。
自旋晶体管作为未来磁电子学或自旋电子学时代的基本元素,目前大都还处在概念型阶段,本文也将对几种自旋晶体管的大致原理作简要介绍。
关键词:凝聚态物理学;磁电子学器件;综述;巨磁电阻;隧穿磁电阻;自旋转移中图分类号:7570;7225;7570P;7550R文献标识码:A0引言磁电子学(或者说更广义的自旋电子学)是研究纳米尺度下与电子的自旋属性相关的输运过程及相应器件的一门新学科。
上世纪80年代末期磁性多层膜巨磁电阻效应(GM R)的发现标志着磁电子学发展的开始;7年后,磁隧道结室温隧穿磁电阻效应(TM R)的成功实现更为这门新学科注入了新活力;翌年,理论预言电流垂直磁性多层膜输运过程的自旋转移(spin tr ansfer)效应及随后的实验验证为自旋操控工程增添新理念。
在人们努力开拓新材料、发展新物理的同时,相关的电子器件的设计与开发同样聚敛人类的智慧,导致前所未有的技术进步和巨大的商业市场,经过短短十多年的迅猛发展,部分磁电子器件已经进入了人们的生活,并将随着它的继续发展深刻改变人们的生活。
本文将首先介绍目前几种基于GMR、T MR的磁电子器件的基本结构和工作特点。
关于GM R材料与物理机制,国内外已经有若干综述论文进行了系统总结[1~3],本文将不再赘述;目前,以AlO x为势垒层的磁隧道结也差不多发展到了近乎极致的程度[4,5],新一代M gO磁隧道结正在继续发展之中[6],读者可从相关文献了解TM R的物理背景。
大学巨磁阻效应实验
巨磁阻效应实验一、概述巨磁电阻(GMR）效应是１988年发现的一种磁致电阻效应，由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上,因此名为巨磁电阻（GianｔＭaｇnｅtｏres ｉｓtaｎc），简称GMR。
磁电子学是一门以研究介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的机理下工作的电子器件为主要内容的一门交叉学科。
它研究的对象包括载流电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等.对巨磁电阻效应的研究就是磁电子学的一个重要内容。
磁场作用于磁性多层膜中导电电子的自旋,导致膜电阻发生很大的变化。
这种变化可以通过测量电阻或以电压方式反映出来。
根据这种特点可以在许多领域得到应用。
到目前磁电子学的研究仍在世界范围轰轰烈烈地进行，它的应用已发展到计算机磁头、巨磁电阻传感器、磁随机存贮器等许多领域,鉴于磁电子学技术的新颖性和复杂性，对于磁电子学的研究仍在持续不断地进行.本实验仪器采用新型巨磁阻传感器，可在微弱磁场中发生巨磁阻效应，操作简单,使用安全，方便，帮助同学们从实验现象和数据中，了解巨磁阻效应的原理和应用,掌握巨磁阻传感器的原理和应用。
二、实验目的1了解巨磁阻效应原理,掌握巨磁阻传感器原理及其特性。
２学习巨磁阻传感器的定标方法，用巨磁阻传感器测量弱磁场。
3了解巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场间夹角与传感器灵敏度的关系。
４了解巨磁阻传感器的灵敏度与工作电压的关系。
三、实验仪器巨磁阻效应实验仪亥姆霍兹线圈通电导线电流大小测试架图1 DH-GＭＲ-3巨磁阻效应实验仪四、实验原理1、巨磁电阻（GMＲ）原理图２利用两流模型来解释GＭR机制见图2。
巨磁电阻(GＭR)效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。
这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。
赋以特殊的结构设计这种效应还可以调整以适应各种不同的性能需要.２、巨磁电阻（GMR）传感器原理见图３。
《霍尔效应及其应用》课件
学习建议
深入理解霍尔效应的原理
学习霍尔元件的应用实例
为了更好地理解和应用霍尔效应，建议学 习者深入了解洛伦兹力、载流子迁移等概 念，以及它们在霍尔效应中的作用。
通过学习霍尔元件在不同领域的应用实例 ，可以加深对霍尔效应的理解，并了解其 实际应用价值。
实验操作与数据分析
关注霍尔效应的最新研究进展
建议学习者通过实验操作来验证霍尔效应 ，并学会对实验数据进行处理和分析，以 提高实验技能和数据处理能力。
详细描述
利用霍尔效应可以制造高稳定性的磁场传感器和电流传感器，用于信息存储、通信、雷达等领域，提高信息传输 的可靠性和稳定性。
05
总结
本章重点
霍尔效应的基本原理
霍尔效应是指当电流通过某些半导体材料时，会 在垂直于电流的方向上产生一个横向的电压差， 这个现象的原理涉及到洛伦兹力、载流子迁移等 概念。
测量电流
霍尔效应还可以用来测量电流，其原理是当电流通过一个导 体时，会产生一个垂直于电流方向的磁场，这个磁场的大小 与电流的大小成正比。因此，通过测量这个磁场的大小，就 可以推算出电流的大小。
霍尔电流传感器具有测量范围广、精度高、线性度好等优点 ，因此在电力电子、电机控制、开关电源等领域有广泛应用 。
。
磁场发生器
产生恒定或可调的磁场 ，以观察霍尔电压的变
化。
测量仪表
电压表、电流表等，用 于测量霍尔电压和电流
。
实验步骤
连接电路
将电源、磁场发生器、霍尔元 件和测量仪表按照电路图正确 连接。
测量数据
使用测量仪表记录不同磁场强 度下霍尔电压和电流的数据。
准备实验器材
根据实验需求选择合适的霍尔 元件、电源、磁场发生器和测 量仪表。
磁学与电子学的交叉研究进展
磁学与电子学的交叉研究进展磁学与电子学是两个紧密相关的学科，二者的交叉研究早已开始并持续发展。
随着科技的不断创新和发展，磁学和电子学的交叉领域也在不断扩大，涉及到许多领域。
从宏观的角度来看，我们日常生活中的很多设备和器件都涉及了磁学和电子学的交叉研究。
例如，我们使用的计算机、手机、平板等电子设备，其中涉及到的硬盘、闪存、电池等，都需要用到磁学和电子学的知识。
而由于我们对这些设备和器件的依赖和需求在不断增长，磁学和电子学的交叉研究也在变得越来越重要。
在微观的层面上，磁学和电子学的交叉研究更为深入。
例如，磁电子学领域的研究就促进了磁存储技术的发展。
磁电子学是指通过磁性材料中的电子自旋来调控电子输运，从而实现磁存储。
这种技术在计算机、手机等电子设备中广泛应用，极大地提升了设备的存储能力。
另一个值得关注的交叉领域是自旋电子学。
自旋电子学是磁电子学的一个分支，它探究如何将自旋电子在新型材料中的控制发挥到极致，从而将信息存储密度和处理速度不断提高。
自旋电子学的研究也成为了一些国际大学和研究机构的重要研究领域。
除了磁电子学和自旋电子学，还有其他许多涉及磁学和电子学交叉研究的领域。
例如，磁电阻效应、磁电抗效应、磁电输运等，都在磁学和电子学的交叉研究领域中占有重要地位。
这些领域的研究成果不仅有助于提升电子设备的性能，还有助于改进医疗设备、环保设备等其它行业。
总之，磁学和电子学的交叉研究在现代科技中发挥着重要作用，从学科层面到工业应用，都产生了广泛影响。
未来，磁学和电子学的交叉研究领域还将继续扩大，其研究成果也将不断推动和改变各行各业的发展。
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φ1 > φ 2
ρ1
ρ1φ12 + (1 − ρ1 )φ 22
φ 1φ 2
G =
e h
∑
i
T i = CT
φ 12 φ 1 两电导率之差： K = ρ − + (1 − ρ 1 ) 1 2 φ2 φ2
不妨设：
ρ
1
=
1 2
得出，在
φ1 > φ 2
时，K>0。
讨论
1. CIP，CPP模型的建立都是建立在弹性散射的基础上。实际上，局 ， 模型的建立都是建立在弹性散射的基础上。 模型的建立都是建立在弹性散射的基础上 实际上， 域磁矩对s电子的散射是非弹性的 电子的散射是非弹性的。 域磁矩对 电子的散射是非弹性的。 2. 实际局域大自旋对自旋电子的非弹性散射，会导致传到电子的自旋 实际局域大自旋对自旋电子的非弹性散射， 方向发生变化， 方向发生变化，使得其出射电子的自旋方向与局域大自旋方向一致 。 3. 我们换个角度考虑，既然局域大自旋可以改变自由电子的自旋方向 我们换个角度考虑， 说明其对电子有力矩的作用，翻过来， ，说明其对电子有力矩的作用，翻过来，如果自旋极化电流足够强 应该可以使局域大自旋的方向有轻微扰动。 ，应该可以使局域大自旋的方向有轻微扰动。这一现象其实就是自 旋转移力矩现象。 旋转移力矩现象。
磁电子学
组员：赵聪鹏，邹国寿，张南，何中凯，胡兵，黄硕，唐龙， 赵亚楠，孙婧，吕可非，李亚萍
L/O/G/O
目录
• • • • 简介 铁磁体 磁电子学的发展 GMR效应两种机制模型的建立以及定性分 析
简介
• 电子不仅仅是电荷的载体，也是自旋的载体。 • 对于铁磁体来说，当无外加磁场时，由于交换劈
裂会出现自发磁化。 • 外加磁场对其进行磁化后，会出现磁化强度与外 场方向一致的畴。 • 其根本原因是：电子自旋被外磁场极化。经典的 可以理解为电子在外场作用下其总磁矩（角动量） 绕外场方向做进动，使得材料整体的合磁矩在外 场方向上不为0，且为一较大的值。由于自旋间 存在相互作用，导致了材料内部的磁化取向决定 了内部电流自旋方向，同时自旋的电流对磁化强 度的方向也有影响，后者被称之为自旋转移力矩。
铁磁体的相关知识复习
• 铁磁性起源：过渡金属中的两种机制的竞争。 • 铁磁体模型：1.自由电子Stoner模型
h 2k ε (k ) = 2m
2
+ σ
z
∆ 2
2. s-d模型 最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩 模型(最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩 模型 最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩)
自旋转移力矩的发现
• 1996 年，美国卡内基梅隆大学物理系教授L. Berger和IBM Thomas. J. Waston研究中心的Slonczewski各自独立地提出通过铁磁体的极化电流的传 导电子在受到铁磁体内的局域磁性电子作用的同时，由作用的相互性，局域 磁性电子也将受到传导电子作用。传导电子与局域磁性电子通过这种相互作 用交换角动量，即将有部分角动量从传导电子传到铁磁体的局域磁性电子， 这等效于传导电子对局域磁性电子施加了一种力，这种力一般称之为自旋转 移力矩（spin-transfer torque STT）。传导电子与局域磁性电子之间的这种 相互作用一般被理解为”s-d”交换作用。 Berger 和Slonczewski 都认为只要入射极化电流密度足够大将在铁磁体产生 自旋波激发或磁化强度无衰减进动。Slonczewski 还认为甚至可以翻转铁磁 体的磁化强度-电流诱导磁化强度翻转(current-induced magnetization switching CIMS)。自旋转移力矩除了在磁化强度翻转方面有很好的应用前景 ，同时它诱导的自旋波激发将大大扩展其应用范围。这种将直流电转变为交 流信号的能力使它可以被用作信号发生器，信号处理器（通过激发使自旋波 放大、产生纳米范围的微波源），而且能用电流密度的大小控制信号的频率 。
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, “Spin transfer torques”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
GMR效应 效应
电流平行于平 面
CIP
电流垂直于平 面
CPP
CIP机制模型建立 机制模型建立
σ
=
•
CPP机制模型建立 机制模型建立
• 每个磁性层当做对电子输运过程的势垒。 • 自旋相同的透射率为： φ 1 自旋不同的透射率为： φ 2 • 自旋向上的电子所占比例为： ρ 1 向下电子所占比例为： 1 − 1. 两磁性层磁化方向平行时，总透射率为： 2. 两磁性层磁化方向反平行时，总透射率为： 根据介关量子输运理论： 2
H e ff = H e x t
2Ku 2 Aex 1 ˆ ˆ + n ( n ⋅ M ( r )) + ∇ 2M + µ 0 M s2 µ 0 M s2 4π
∫d
3
r′
3( M ( r ′ ) ⋅ x ) x − M ( r ′ ) x x
5
2
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, “Spin transfer torques”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
磁电子学的发展
1.1970s-1980s Berger预言了自旋转移力矩可以使磁畴筹壁发生移动。而后 预言了自旋转移力矩可以使磁畴筹壁发生移动。 预言了自旋转移力矩可以使磁畴筹壁发生移动 其实验小组在铁磁性薄膜中加以大的电流脉冲，观察到了磁畴畴壁的移动。 其实验小组在铁磁性薄膜中加以大的电流脉冲，观察到了磁畴畴壁的移动。 2.Grünberg小组通过研究 小组通过研究FeCrFe系统，发现了两铁薄层的反铁磁相互作用。 系统， 小组通过研究 系统 发现了两铁薄层的反铁磁相互作用。 之后不久，其小组与Fert小组发现了巨磁电阻效应而获 年诺贝尔学奖。 小组发现了巨磁电阻效应而获07年诺贝尔学奖 之后不久，其小组与 小组发现了巨磁电阻效应而获 年诺贝尔学奖。 3.早期研究较多的是 早期研究较多的是CIP机制，而后由于 机制， 机制的发现。 早期研究较多的是 机制 而后由于1991年CPP机制的发现。更多的研究 年 机制的发现 集中在CPP机制上，因其自旋翻转比较明显。 机制上， 集中在 机制上 因其自旋翻转比较明显。 4.1990年，Parkin等人发现两层间的耦合作用随中间层的厚度的变化而变化。 年 等人发现两层间的耦合作用随中间层的厚度的变化而变化。 等人发现两层间的耦合作用随中间层的厚度的变化而变化 确定了该耦合作用是通过中间层电子为媒介的交换相互作用 5.1989年，Slonczewski计算了中间层为绝缘层的其他两层间相互作用。他通过 年 计算了中间层为绝缘层的其他两层间相互作用。 计算了中间层为绝缘层的其他两层间相互作用 检测通过中间绝缘层的电流来计算其另外两层间的耦合作用得到： 检测通过中间绝缘层的电流来计算其另外两层间的耦合作用得到：隧道结两端加 0偏压时，电流流过隧道结时，另外两电极内的磁化强度总是非共线的，这个交 偏压时，电流流过隧道结时，另外两电极内的磁化强度总是非共线的， 偏压时 换相互作用原因被认为是自旋电流的角动量转移给了层内部的每个磁矩。 换相互作用原因被认为是自旋电流的角动量转移给了层内部的每个磁矩。
7.2000年，M. Tsoi等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位。 年 等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位。 等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位
8.2003年，S.I. Kiselev等人开始进行直流产生的自旋力矩引起的高频磁化强度进动的稳 年 等人开始进行直流产生的自旋力矩引起的高频磁化强度进动的稳 定态的直接测量。 定态的直接测量。 9.同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究。中间层位氧化铝，氧化镁 同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究。中间层位氧化铝， 同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究 的研究较多
自旋转移力矩应用-MRAM 自旋转移力矩应用
MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非挥发性的磁性 随机存储器。 非挥发性” 随机存储器。“非挥发性”是指 关掉电源后， 关掉电源后，仍可以保持记忆完 随机存取” 整；而 “随机存取”是指中央处 理器读取资料时， 理器读取资料时，随时可用相同 的速率， 的速率，从内存的任何部位读写 信息。 信息。 MRAM运作的基本原理与 运作的基本原理与 硬盘驱动器相同。 硬盘驱动器相同。和在硬盘上存 储数据一样， 储数据一样，数据以磁性的方向 为依据，存储为0或1。它存储的 为依据，存储为 或 。 数据具有永久性， 数据具有永久性，直到被外界的 磁场影响之后， 磁场影响之后，才会改变这个磁 性数据。 性数据。它拥有静态随机存储器 （ SRAM）的高速读取写入能力 ） ，以及动态随机存储器DRAM） 以及动态随机存储器 ） 的高集成度， 的高集成度，基本上可以无限次 地重复写入。 地重复写入。 用大电流直接垂直通 过自旋阀， 过自旋阀，由大电流 产生的涡旋磁场来翻 转磁畴。 转磁畴。 电流通过自旋阀， 电流通过自旋阀，翻 转磁畴的诱导力不是 电流产生的磁场， 电流产生的磁场，而 是自旋转移力矩 用外磁场来翻转磁化 强度， 强度，如通常的自旋 阀三层膜结构。 阀三层膜结构。
S
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
电流诱导自旋转移力矩
• 我们上面锁讨论的均为电流诱导对自由层磁化强度自旋转移力矩。 我们上面锁讨论的均为电流诱导对自由层磁化强度自旋转移力矩。 • 当外加恒定外磁场时，电流诱导的自旋转移力矩随着电流增大，会出 当外加恒定外磁场时，电流诱导的自旋转移力矩随着电流增大， 现以下三种情况：含有阻尼衰减磁化强度进动， 现以下三种情况：含有阻尼衰减磁化强度进动，稳定的磁化强度进动 磁化强度反转。 ，磁化强度反转。 • 无外磁场时，通过调节电流方向可以实现对磁化强度方向的控制。 无外磁场时，通过调节电流方向可以实现对磁化强度方向的控制。