材料科学与工程前沿自旋电子材料
磁性材料的自旋与磁矩
磁性材料的自旋与磁矩引言：磁性材料在现代科技和工程中具有广泛的应用。
了解和研究磁性材料的特性和行为对于设计和开发各种电子设备、储存介质以及其他应用是至关重要的。
自旋和磁矩是磁性材料中关键的物理概念。
通过定律和实验，我们可以深入了解磁性材料的自旋与磁矩如何相互作用，从而推动技术和科学的发展。
一、基本概念：1. 自旋：自旋是基本粒子（如电子、质子等）的内禀性质，类似于物体的自转。
在磁性材料中，自旋决定了材料在外磁场中的反应和磁性行为。
2. 磁矩：磁矩是物体在外磁场中的磁化程度，并决定了物体对外磁场的响应。
磁矩的大小和方向与自旋紧密相关。
二、定律：1. 库仑定律：库仑定律描述了电荷之间相互作用的力的大小与距离的关系。
它与磁性材料的自旋和磁矩之间的相互作用有着密切关系。
2. 波尔磁子定律：波尔磁子定律描述了磁矩和自旋之间的关系。
根据这个定律，物体的磁矩与自旋之间存在固定的比例关系，这对于解释自旋和磁矩之间的相互转换非常重要。
3. 链斯特律：链斯特律描述了磁矩和磁场之间的相互作用。
根据这个定律，磁矩将在外磁场的作用下，朝向磁场的方向旋转，形成稳定的磁化状态。
4. 洛伦兹力定律：洛伦兹力定律描述了磁矩在磁场中受到的力的大小和方向。
通过这个定律，我们可以了解磁场对自旋和磁矩的作用，并利用这个力来控制磁性材料的行为。
三、实验准备与过程：对于磁性材料的自旋和磁矩的研究，常常需要进行以下实验：1. 自旋共振实验：这个实验利用了库仑定律和洛伦兹力定律，通过将磁性材料置于强磁场中，用外加的电磁波激发材料中的自旋，然后利用共振效应来测量和研究自旋和磁矩之间的关系。
实验准备包括制备磁场、调整电磁波频率并测量共振效应的现象和数据。
2. 磁化曲线实验：这个实验利用了链斯特律，通过外加的磁场对磁性材料进行磁化，然后测量磁矩和磁场之间的关系。
实验准备包括制备磁场、测量磁矩的大小和方向，并绘制磁化曲线。
四、实验应用与专业性角度：磁性材料的自旋与磁矩的研究具有广泛的应用和重要性：1. 电子设备和储存介质：磁性材料的自旋和磁矩的理解和控制对于设计和开发各种电子设备（如计算机、手机等）和储存介质（如硬盘驱动器、存储芯片等）至关重要。
稀土材料的磁性和自旋特性
稀土材料的磁性和自旋特性引言稀土元素是指周期表中第57-71号元素，也被称为稀土金属。
稀土材料具有独特的物理、化学以及磁性和自旋特性，因此在材料科学和工程领域具有重要地位。
本文将介绍稀土材料的磁性和自旋特性的基本概念、应用以及未来发展方向。
磁性特性稀土材料具有丰富的磁性特性，其中最常见的是铁磁性和反铁磁性。
铁磁性是指材料在外加磁场下能够被磁化并且保持磁化的性质，而反铁磁性是指材料在外加磁场下不被磁化，但具有自发磁化的性质。
稀土材料中的铁磁性主要来源于4f电子的自旋磁矩，而反铁磁性则主要源于电子的轨道和自旋耦合。
稀土材料的磁性特性对于许多应用具有重要意义。
例如，稀土磁体是目前最强最常用的永磁材料，广泛应用于电机、发电机、磁存储器等领域。
稀土材料的磁性特性也对于磁共振成像、磁性材料的设计和合成等方面有着重要的影响。
自旋特性自旋是量子力学中描述粒子自旋角动量的概念。
稀土材料的自旋特性主要表现为自旋量子数的取值和相互作用。
稀土元素具有一种或多种未成对电子，这些未成对电子的自旋量子数可以产生多种不同的自旋态。
这些自旋态对于稀土材料的物理性质和化学反应起到重要的作用。
稀土材料的自旋特性在磁学、光学和电子学等领域具有广泛的应用。
例如，在磁共振成像中，磁性共振信号的产生和解释主要依赖于材料的自旋特性。
在光学领域，稀土材料被广泛应用于激光器和荧光材料等方面。
此外，稀土材料的自旋特性还与其导电性、热导性和光学性质等密切相关。
稀土材料的应用稀土材料在许多领域都有重要的应用。
除了上述提到的永磁材料和磁共振成像外，稀土材料还广泛应用于以下领域：磁性材料稀土铁磁材料因其具有较高的磁滞回线和良好的磁导率而被广泛应用于电机和发电机等设备中。
磁性材料的设计和合成是稀土材料研究的重要方向之一，旨在提高材料的磁性能和稳定性。
光学材料稀土材料的自旋特性使其在光学领域具有独特的应用。
稀土离子具有丰富的能级结构，可以发射出特定波长的荧光，因此被广泛应用于激光器、荧光材料和光纤通信等方面。
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展自旋电子学是一门相对较新的物理学分支，涉及自旋电子的操控和应用。
自旋转移矩效应是自旋电子学中的一个重要现象，它在自旋电子器件的研究和应用中发挥着关键作用。
本文将详细解读自旋转移矩效应的基本定律、实验准备和过程，并探讨其在自旋电子器件研究中的新进展和应用。
自旋转移矩效应（spin-transfer torque，简称STT）是指自旋极化电流对磁矩的转移作用。
在自旋电子学中，电流携带的自旋极化可引起磁矩的移动和翻转，从而实现自旋信息的读写和存储。
STT的研究对于自旋电子器件的发展具有重要意义。
首先，我们可以从磁体的逆磁电阻效应（GMR）开始解读STT的基本定律。
GMR现象表明，当电流通过一个具有磁性层的金属多层膜时，由于自旋极化电流的存在，电阻将与磁自旋方向有关。
这一效应被用于读取磁性存储介质中的自旋信息。
STT则进一步利用了这种磁性层中的自旋极化电流，通过施加一个垂直磁场，使得磁矩沿着特定方向旋转，实现了自旋信息的写入。
在进行STT实验前，我们需要准备一些实验装置和材料。
首先，需要制备一些磁性多层薄膜样品，其中包含磁性层和非磁性层，用于观察STT效应。
其次，需要配置一台实验仪器，如霍尔效应测量仪，用于测量和分析自旋极化电流和磁矩的变化。
最后，还需要一些实验材料，如电路板、导线和稳压电源等。
实验的过程如下：首先，将制备好的磁性多层薄膜样品固定在实验装置中，并连接电路板和电流源。
然后，通过电流源施加一定大小的电流并选择合适的频率，以产生自旋极化电流。
接着，通过霍尔效应测量仪测量电流和磁矩的变化，以获得STT效应的相关数据。
最后，根据实验数据分析自旋极化电流对磁矩的转移作用，并进一步探究其在读写自旋信息中的应用。
自旋转移矩效应在自旋电子器件的研究中有着广泛的应用。
例如，自旋转移矩随机存储器（ST-RAM）利用STT效应实现了高速、低功耗和非易失性的自旋极化数据存储。
磁性材料中的自旋电子学及其应用
磁性材料中的自旋电子学及其应用自旋电子学是一门利用自旋来操纵和控制电子行为的研究领域。
随着科技的进步和对电子器件性能的不断追求，自旋电子学在材料科学和器件工程中扮演着重要的角色。
磁性材料作为自旋电子学的基础材料，具有自旋自发极化、磁矩和磁力耦合等特性，为自旋电子学的研究和应用提供了理想的平台。
本文将从自旋电子学的基本概念、磁性材料的特性和自旋电子学的应用等方面，介绍磁性材料中的自旋电子学及其应用。
一、自旋电子学的基本概念自旋电子学是研究自旋自发极化和自旋操控的学科，其概念来源于基本粒子的自旋。
自旋是微观粒子的固有属性，类似于旋转角动量，是描述粒子自旋状态的物理量。
自旋的朝向可以取上、下两个方向，分别表示向上自旋和向下自旋。
自旋电子学的基本思想是利用自旋来操控电子行为。
传统电子学主要通过控制电子的电荷来实现电子器件的功能，而自旋电子学则通过控制和利用电子的自旋来达到更高的性能和功能。
自旋电子学有望在存储器、传感器、计算和通信等方面发挥重要作用。
二、磁性材料的特性磁性材料是自旋电子学的基础材料。
磁性材料具有自旋自发极化和磁矩的特性，能够产生和响应磁场，从而实现自旋电子学的操控和探测。
磁性材料的特性包括饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、磁导率等。
磁性材料能够通过外加磁场或电流来调控其磁矩大小和方向。
通过调控磁矩，可以实现自旋的操控和植入，为自旋电子学的应用提供了基础。
同时，磁性材料还具有自旋与电荷的耦合效应，可以实现磁场调控电阻、自旋谐振和磁光调制等功能。
三、自旋电子学的应用1. 磁存储器磁存储器是自旋电子学最重要的应用之一。
传统的硬盘和磁带都是利用磁性材料的磁性和自旋特性来实现数据的存储和读取。
而基于自旋电子学的新型磁存储器，则通过调控自旋来实现更高的存储密度和读写速度。
磁存储器的发展，将极大地促进计算机和移动设备的性能和功能的提升。
2. 自旋电子学器件自旋电子学器件是一类利用自旋来实现电信号处理和信息传输的器件。
低维材料中的自旋电子学与拓扑绝缘体
低维材料中的自旋电子学与拓扑绝缘体引言：自旋电子学和拓扑绝缘体是当今材料科学与物理学领域备受关注的研究方向。
低维材料在这两个领域中扮演着重要的角色。
本文将讨论低维材料中自旋电子学与拓扑绝缘体的研究进展和意义。
一、低维材料的基本特性低维材料是指厚度或尺寸在纳米或更小尺度的材料。
晶体的维度降低可以改变材料的物理性质，比如导电性、磁性等。
低维材料通常表现出与其体态晶体不同的电子结构和性质。
二、自旋电子学在低维材料中的应用自旋电子学是指利用电子的自旋来实现信息存储和处理的技术。
在低维材料中，由于维度的缩小，自旋-轨道耦合和自旋-自旋相互作用变得更加突出。
这为实现自旋存储和自旋运算提供了良好的平台。
同时，低维材料还展示了许多奇特的自旋态，如自旋密度波、自旋轨道奇点等，这些新奇现象对自旋电子学的发展具有重要意义。
三、拓扑绝缘体在低维材料中的探索拓扑绝缘体是一种特殊的电子态，具有导电体表面的不让缺陷和扰动破坏导电特性的能力。
低维材料中的拓扑绝缘体被广泛研究，并在量子计算、能源转换等领域有着巨大的应用潜力。
在低维材料中，通过调控材料的形貌、表面态和边界态等，可以实现拓扑绝缘体的产生和控制。
这些研究为解决材料导电性能损耗和实现更高效能的电子器件提供了新思路。
四、低维材料自旋电子学与拓扑绝缘体的联合研究近年来，越来越多的研究将低维材料中的自旋电子学和拓扑绝缘体相结合进行研究。
通过在低维材料中引入自旋自由度，并调控材料的结构和自旋轨道耦合，可以实现自旋拓扑绝缘体的制备。
这种新型材料不仅具有较高的导电性能，还保持了拓扑绝缘体的特殊表面态和边界态。
这一领域的研究有望推动自旋电子学和拓扑物态的发展，并为新型电子器件和量子计算提供新的解决方案。
结论：低维材料中的自旋电子学与拓扑绝缘体是当前材料科学和物理学领域备受关注的研究方向。
通过调控低维材料的结构和性质，可以实现自旋存储和自旋运算，并探索新的拓扑绝缘体态。
联合研究低维材料的自旋电子学和拓扑绝缘体有望在材料科学、能源转换和量子计算等领域取得突破性进展。
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。
材料物理学中的自旋极化电子学
材料物理学中的自旋极化电子学自旋极化电子学是材料物理学中一个重要的领域，自旋极化电子学主要研究的是材料中的自旋极化电子的性质及其在电子学和磁学方面的应用。
本文将从自旋极化电子的基本概念、自旋极化电子在材料中的性质、自旋极化电子学的应用及未来的发展方向等方面进行探讨。
一、自旋极化电子的基本概念在量子力学中，每个电子都具有一个自旋量子数，表示为s。
自旋量子数实际上是一个表示电子旋转方向的量子数，其只有两种取值，即上自旋和下自旋。
自旋极化电子指的是一种带有自旋的电子。
自旋极化可以通过磁场或磁性材料来实现。
自旋极化将电子分为两种类型，即自旋向上的电子和自旋向下的电子。
这两种电子在材料中的行为不同，因此自旋极化电子的出现为材料物理学提供了一种新的角度。
二、自旋极化电子在材料中的性质自旋极化电子在材料中的性质主要表现在磁性和输运方面。
磁性方面，材料中的自旋极化电子会对材料的磁性产生影响。
例如，当材料中存在大量自旋向上的电子时，材料会具有自发磁化性质，这种自发磁化性质被称为铁磁性。
当材料中存在自旋向上和自旋向下的电子数量相同时，材料会呈现顺磁性。
当材料中的自旋极化电子数量非常少时，材料不具有磁性。
输运方面，自旋极化电子在材料中的运动方式与常规电子有所不同。
自旋极化电子的自旋导致其在材料中的运动受到一定约束。
这种约束导致自旋极化电子在材料中的输运性质与常规电子有所不同。
例如，自旋极化电子具有spincurrent（自旋电流）特性，这种特性能够让其在材料中传输信息。
三、自旋极化电子学的应用自旋极化电子学是一门非常有用的学科，其应用涵盖了很多领域，例如电子学、信息技术等。
在电子学方面，自旋极化电子学为电子器件的制造提供了新的思路。
自旋极化电子器件可以与普通电子器件一起构成非常复杂的电子系统，从而实现更加智能且高效的电子器件设计。
在信息技术方面，自旋极化电子学的应用主要体现在记忆和存储方面。
例如，MRAM（磁阻随机访问存储器）利用了磁性自旋极化电子的特性，可以实现数据的快速存储和读取。
材料科学与工程前沿
材料科学与工程前沿材料科学与工程是一门研究物质的结构、性能以及制备方法的学科，旨在推动材料的创新和发展。
随着科技的进步和社会的需求，材料科学与工程不断前进，涌现出了许多前沿的研究领域。
本文将介绍一些材料科学与工程的前沿研究方向，包括纳米材料、生物材料、能源材料和可持续材料等。
一、纳米材料纳米材料是一种具有特殊尺寸尺度的材料，其特性与传统材料有着显著区别。
纳米材料在电子、光学、磁学和力学等方面具有独特的性能，因此被广泛应用于电子器件、传感器、催化剂等领域。
在纳米材料研究中，人们已经能够控制材料的尺寸、形状和组成，从而调控其物理和化学性质。
例如，通过纳米粒子的表面修饰，可以增强材料的光学吸收和荧光性能，使其在生物成像和生物传感等领域具有广阔的应用前景。
此外，纳米材料在能源存储和转换方面也有巨大的潜力。
纳米材料可以用于锂离子电池、太阳能电池和燃料电池等能源设备中，以提高能量密度和传输速率。
二、生物材料生物材料是一类与生物体相互作用的材料，常用于医疗保健和生物工程领域。
生物材料的设计和制备需要考虑其与生物体的相容性、可降解性和生物活性等特性。
在生物材料领域，人们致力于开发新型的生物活性材料，用于组织工程、再生医学和药物输送等应用。
例如，可以利用多孔材料结构来促进细胞和血管的生长，以实现组织修复和再生。
同时，将生物材料与生物分子相结合，可以实现靶向药物输送和生物传感器等功能。
生物材料的发展还包括仿生材料的研究。
仿生材料是以生物体部分结构或机制为蓝本制备的材料，具有与生物体相似的功能和性能。
例如，通过模仿蜘蛛丝的结构和力学性能，可以制备出高强度的合成丝材料，具有广泛的应用前景。
三、能源材料能源是当今社会发展的关键问题之一，而能源材料的研究则是解决能源问题的关键之一。
能源材料主要包括太阳能材料、储能材料和催化剂等。
在太阳能材料方面，人们致力于开发高效的光电转换器件，以将太阳能转化为电能或燃料。
此外，太阳能材料的研究还包括提高光吸收和电子传输效率，以及延长材料的寿命和稳定性。
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.
12-318出品
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.
12-318出品
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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
自旋电子学与自旋电子器件简述
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 ）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。
材料物理与化学专业硕士生培养方案
材料物理与化学专业硕士生培养方案（专业名称：材料物理与化学专业代码：080501）一、培养目标培养德智体全面发展的、具有坚实的材料物理与化学理论基础和系统的专门知识，掌握相应的现代实验技术，了解材料物理与化学发展的前沿和动态、能够从事材料物理与化学研究或担负专门技术工作，具有进取、创新、唯实、协同合作的品德和身心健康的高级科技人才。
二、研究方向1、纳米结构与器件；2.光电功能材料；3.高温超导材料；4.自旋电子材料；5.新型半导体材料；6.计算材料学；7.新型纳米结构材料；8.固体电解质材料；9.无机陶瓷膜材料；10.敏感材料和化学传感器；11、纳米复合材料；12、环境纳米材料；13、纳米材料的物理/化学；14、新型薄膜太阳电池；15、新型功能材料及光电转换三、招生对象招收具有学士学位的大学本科材料物理与化学及相关专业的毕业生。
四、学习年限三年，其中课程学习时间一年，学位论文时间二年。
五、课程设置1、政治、英语等公共学位课和开题报告等必修培养环节按《中科院合肥研究院硕士研究生培养方案》统一要求。
2、学科基础课、学科专业课和非学位课如下表所列六、学位论文对学位论文的具体要求，按照《中科院合肥研究院硕士研究生培养方案》有关规定执行。
七、答辩和学位授予按《中科院合肥研究院硕士研究生培养方案》的有关规定执行。
材料物理与化学专业博士生培养方案（专业名称：材料物理与化学专业代码：080501）一、培养目标培养德智体全面发展，掌握坚实宽广的材料物理与化学专业基础理论和系统深入的专门知识，具有独立从事科学研究及工程项目设计研究的能力，具有解决科学及工程项目中关键问题的创新能力，具有进取、创新、唯实、协同合作的品德和身心健康的高级科技人才。
二、研究方向1、纳米结构与器件；2.光电功能材料；3.高温超导材料；4.自旋电子材料；5.新型半导体材料；6.计算材料学；7.新型纳米结构材料；8.固体电解质材料；9.无机陶瓷膜材料；10.敏感材料和化学传感器；11、纳米复合材料；12、环境纳米材料；13、纳米材料的物理/化学；14、新型薄膜太阳电池；15、新型功能材料及光电转换三、招生对象具有硕士学位的材料物理与化学专业及相关专业的毕业生。
材料科学与工程前沿问题和热点方向展望
材料科学与工程前沿问题和热点方向展望随着现代科技的不断发展和人类对于材料需求的不断增长，材料科学与工程作为一门重要的学科发展迅速，并涉及到许多前沿问题和热点方向。
本文将探讨一些目前材料科学与工程领域的前沿问题，并展望其未来的发展方向。
材料科学与工程的前沿问题之一是纳米材料。
纳米材料是指具有特殊结构和特性的材料，其粒径在1-100纳米之间。
由于其尺寸效应和量子效应的存在，纳米材料表现出独特的物理、化学和生物特性。
纳米材料具有巨大的应用潜力，例如在电子、光电、催化和生物医学领域等方面。
未来的研究重点将围绕着纳米材料的制备、表征和应用展开，以实现更好的性能和应用。
另一个前沿问题是功能材料。
功能材料是指具有特殊功能和性能的材料，可以通过调控其结构和组成实现特定的功能。
例如，磁性材料可以应用于磁存储、磁传感器和医学诊断等领域；光学材料可以应用于光电子器件和激光器；能源材料可以应用于太阳能电池和储能系统等。
未来的研究将注重功能材料的设计、制备和性能优化，以满足不同领域对特定功能的需求。
材料的可持续性也是一个重要的前沿问题。
随着资源的日益稀缺和环境问题的日益严重，材料科学家和工程师们正在寻找可持续性解决方案。
这包括通过材料的再生利用、废弃物资源化和绿色制备等方式减少对自然资源的消耗和环境的污染。
未来的研究将聚焦于可持续性材料的开发和应用，以实现资源的有效利用和环境的保护。
此外，新的材料制备技术也是材料科学与工程的热点方向之一。
传统的材料制备方法存在一些限制和缺陷，例如成本高、能耗大和环境污染等。
因此，研究人员正在探索新的制备技术，例如纳米级3D打印技术、溶胶凝胶法、等离子体技术和仿生制备方法等。
这些新的制备技术有望解决传统制备方法的问题，并创造出更多种类和高性能的材料。
在材料科学与工程的未来发展中，还有一些潜在的前沿问题和热点方向值得关注。
例如，材料的力学行为和耐久性是一个重要的方向，涉及到材料的力学性能和使用寿命的评估。
自旋电子学中的新型材料研究
自旋电子学中的新型材料研究自旋电子学是一门研究自旋电子行为及其应用的前沿领域，近年来受到了广泛关注。
在这个领域中，新型材料的研究成为了一个重要的方向。
本文将探讨自旋电子学中的新型材料研究，并分析其潜在应用。
自旋电子学是在传统电子学基础上发展起来的一门新兴学科。
而新型材料所具有的特殊性质，使其成为自旋电子学研究中的重点。
其中，一种被广泛研究的材料是拓扑绝缘体。
拓扑绝缘体是一种在体内具有绝缘态，但在表面上却存在导电态的材料。
这种特殊的性质可以用来控制电子的自旋运动，从而实现自旋电子器件的制备。
近年来，人们发现了一种新颖的拓扑绝缘体材料，被称为三维拓扑绝缘体。
与传统的二维拓扑绝缘体不同，三维拓扑绝缘体具有更长的自旋弛豫长度，使其在应用中更加稳定可靠。
这种材料的研究不仅可以用来制备新型的自旋电子器件，还有望在量子计算、量子通信等领域有所突破。
除了拓扑绝缘体，还有一类在自旋电子学中备受关注的材料是垂直锁定磁性材料。
传统的自旋电子学材料大多依赖于外加磁场来实现自旋操控，这限制了其在实际应用中的可行性。
而垂直锁定磁性材料则可以通过自旋电荷相互作用来实现自旋操控，无需外加磁场。
这种材料的研究将在自旋电子器件的制备过程中提供更多的设计灵活性，并且极大地简化了器件结构。
此外，还有一类新型材料被发现可以实现自旋霍尔效应。
自旋霍尔效应是自旋电子学中一种重要的现象，它可以将自旋电子分离成上下两个自旋态的电流，并在材料表面上产生自旋极化。
这种材料的研究将极大地推动自旋电子器件的进一步发展，尤其在自旋逻辑门和自旋传感器等方面具有潜在应用。
总的来说，自旋电子学中的新型材料研究是一个富有挑战性和前景广阔的领域。
通过研究和开发这些材料，我们可以不断推动自旋电子学的发展，并为其在信息存储、量子计算等领域的应用提供强有力的支撑。
相信随着新型材料的不断涌现，自旋电子学将在未来取得更加令人瞩目的成就。
自旋极化 光催化
自旋极化光催化1.引言1.1 概述概述：自旋极化光催化是一种通过利用光激发电子自旋自由度来促进化学反应的新型光催化技术。
自旋极化光催化在解决传统光催化技术所面临的一些挑战方面展现出了巨大的潜力。
传统光催化技术通常只能利用光的波长来激发电子，而忽略了电子自旋的自由度。
然而，自旋极化光催化技术能够同时利用光的波长和电子自旋来实现更为高效的光催化反应。
自旋极化光催化的原理是基于自旋极化效应的存在。
自旋极化是指在光激发过程中，电子自旋状态发生变化的现象。
通过选择合适的催化剂和光源，并调控光的极化方向，可以实现对电子自旋状态的控制。
这种控制可以通过光的偏振态以及催化剂的特殊设计来实现。
当光与催化剂相互作用时，光子的自旋态会转移到催化剂的电子上，从而改变电子的自旋状态。
这种自旋极化过程能够影响催化剂表面的电子结构和反应活性，从而促进光催化反应的进行。
自旋极化光催化技术有着广泛的应用前景。
首先，它可以用于提高传统光催化材料的光催化性能，使其在光催化反应中具有更高的效率和选择性。
其次，自旋极化光催化还可以实现一些传统光催化技术无法实现的新型反应，例如不对称催化反应和高选择性的光催化反应。
此外，自旋极化光催化还可以在光电子学、光电催化与能源转化等领域展示出巨大的应用潜力。
总而言之，自旋极化光催化技术作为一种新型的光催化技术，具有广阔的应用前景。
通过充分利用光的波长和电子自旋自由度，自旋极化光催化能够实现更高效、更选择性的光催化反应，为解决能源和环境等领域的挑战提供了新的方法和思路。
未来的研究将进一步探索自旋极化光催化的机制和应用，为科学界和工业界带来更多的突破和创新。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以从以下几个方面进行阐述：1. 研究背景：介绍自旋极化光催化的研究背景和重要性。
可以提及自旋极化光催化技术在环境修复、能源转化、有机合成等领域中的应用前景，以及相关研究已取得的突破和进展。
2. 文章目的：明确本文的研究目的和意义。
固体物理学中的电子自旋与自旋材料
固体物理学中的电子自旋与自旋材料电子自旋在固体物理学中扮演着重要的角色，而自旋材料则具有独特的电子自旋性质。
本文将介绍电子自旋的基本概念，探讨自旋材料的研究进展，并展望自旋材料在未来的应用前景。
一、电子自旋的基本概念电子自旋是描述电子运动状态的一个属性，类似于地球绕轴旋转的自转。
与电子的电荷和质量不同，电子自旋是一个量子性质，只能取两个离散的值：向上自旋和向下自旋，分别用↑和↓表示。
电子自旋与电荷、质量等物理量不同，不直接参与电子在原子核周围的轨道运动。
然而，电子自旋对于电子之间的相互作用以及材料的物理性质却有重要影响。
例如，在磁性材料中，电子自旋的相对定向决定了材料的磁性行为。
二、自旋材料的研究进展自旋材料是指具有特殊自旋性质的材料。
通过控制电子自旋，可以实现自旋电子学，这是一种利用电子自旋而非电荷进行信息处理和存储的新兴技术。
1. 磁性材料中的自旋磁性材料是研究自旋材料中最为重要的一类。
宏观上，磁性材料可以分为铁磁材料、反铁磁材料和顺磁材料。
铁磁材料由于内部电子自旋相互平行，表现出强磁性。
反铁磁材料中电子自旋方向相邻，自旋磁矩方向相互抵消，呈现出弱磁性。
顺磁材料则是由于自旋随机方向产生的稳定磁矩而表现出磁性。
2. 自旋电子学自旋电子学是一门研究利用电子的自旋进行信息处理和存储的学科。
自旋器件是自旋电子学中的核心技术，包括自旋阀、自旋晶体管等。
通过利用电子自旋的量子属性，自旋器件可以实现低功耗、高速度和高密度的信息处理。
3. 自旋霍尔效应自旋霍尔效应是固体物理学中一个重要的现象，描述了电荷运动中自旋与电荷耦合的效果。
当电子在磁场中运动时，由于自旋的存在，会出现两种通过材料的不同自旋态电子所带电荷的方向不同的现象，即自旋上型和自旋下型。
它们在材料中的运动会产生不同的电荷积累效果，从而形成自旋极化，产生自旋电流。
三、自旋材料的应用前景自旋材料具有广阔的应用前景，尤其在自旋电子学领域。
1. 自旋输运自旋输运是自旋电子学中的基础研究课题之一，主要研究自旋电子在材料中的传输过程。
自旋电子学的基本原理及应用
自旋电子学的基本原理及应用自旋电子学是一门涉及自旋概念的科学，利用电子的自旋状态进行信息传递和存储。
它是物理学和电子工程学相结合的新领域，随着科技和工业的发展，自旋电子学的应用在日常生活中越来越广泛。
下面本文将从自旋电子学的基本原理和应用入手，为大家详细阐述这一主题。
一、自旋电子学基本原理1. 电子自旋与磁性电子是电荷与自旋的带电质点，而自旋是电子具有的一种内禀角动量。
在自旋量子数中，每个电子有两个可取值，即自旋向上为“↑”或自旋向下为“↓”。
在物理学中，磁性是由带电粒子产生的磁矩所引起的现象。
而电子的自旋就是带有磁矩的粒子，因此电子具有磁性。
2. 电子的自旋和磁性关系磁性和自旋有一定的关系，当电子自旋方向相同时，它们的电子磁矩向量相加，磁性比较强，反之当它们的自旋方向相反，相互抵消，磁性减小或消失。
对于固体中的电子，电子的自旋状态具有某种统计规律，即泡利不相容原理，两个具有相同自旋方向的电子无法占据同一个能级，而相反方向的电子可以互相占据同一个能级。
3. 自旋电子学的发展自旋电子学的起源可以追溯到20世纪初的氢原子实验，而自旋电子学真正成形是在上世纪60年代，在固体中发现了自旋共振现象后，自旋电子学得以研究和应用。
在几十年的发展过程中，自旋电子学在晶体电子学、磁学、材料科学、信息技术等领域中取得了显著的成就，如磁性存储器、自旋电子晶体管分别应用在计算机等电子设备中。
二、自旋电子学的应用1. 磁性存储器自旋电子学相关技术在磁性存储器领域得到了广泛的应用，如硬盘、U盘等，这些设备都是采用磁性记忆单元实现信息存储的。
在磁性存储器中，使用通过外部磁场操控电子自旋状态形成的自旋电流，可以读写和删除存储数据，速度比传统基于电子激发的方式快得多。
2. 自旋电子晶体管传统晶体管是一种通过控制电子通道中电子的电流实现电子信息处理的半导体器件。
与之相比，自旋电子晶体管不是依靠电流而是依靠自旋来控制电子的传输。
自旋电子晶体管的制作需要特殊的材料和工艺，优点是低功耗、高速率、量子系统等，被视为下一代半导体器件的最有前景的技术之一。
共线反铁磁和非共线反铁磁自旋的外场操控
㊀第40卷㊀第11期2021年11月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.40㊀No.11Nov.2021收稿日期:2021-04-09㊀㊀修回日期:2021-05-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(51822101,51861135104,51771009)第一作者:闫㊀晗,男,1994年生,博士研究生秦培鑫,男,1995年生,博士研究生通讯作者:刘知琪,男,1989年生,教授,博士生导师,Email:zhiqi@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202104010共线反铁磁和非共线反铁磁自旋的外场操控闫㊀晗,秦培鑫,刘知琪(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191)摘㊀要:当今时代,数字化信息存储总量爆炸式增长,数据存储所消耗的电能越来越多㊂大数据㊁云计算㊁人工智能等信息技术的快速发展,对信息存储器件的性能提出了更高的要求㊂然而,传统的以铁磁材料为核心的自旋电子学器件表现出了明显的局限性㊂寻找和研发一种响应速度快㊁能耗低㊁集成密度高㊁抗磁场干扰强的存储材料对促进信息技术的发展和降低能源消耗具有重要的意义㊂在这一背景下,反铁磁自旋电子学应运而生㊂根据自旋结构分类,反铁磁材料可以大致分为共线和非共线反铁磁两类㊂分别阐述了这两类反铁磁材料的自旋操控方法,包括磁场㊁电流诱导自旋轨道力矩㊁利用离子液体和压电基片施加电场㊁静压力等途径,最终实现了反铁磁材料自旋的有效控制以及反常霍尔效应㊁交换偏置㊁普通电阻态的可逆调控㊂此外,还总结对比了铁磁㊁共线反铁磁与非共线反铁磁材料性质的相似与差异之处,讨论了反铁磁材料在未来自旋电子学存储和运算器件中的应用前景㊂关键词:反铁磁;自旋;电场调控;压电应力;自旋轨道力矩中图分类号:TP333㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2021)11-0881-13External-Field Control of Collinear and NoncollinearAntiferromagnetic SpinsYAN Han,QIN Peixin,LIU Zhiqi(School of Materials Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)Abstract :Nowadays,it is the information age and the total amount of digital information is explosively increasing.Thefast development of big data,cloud computation and artificial intelligence objectively demands more powerful performance of memory devices.However,traditional spintronic devices with ferromagnetic materials show obvious limitations.Therefore,it is of great significance to develop high-speed,low-power,high-density and strong-magnetic-field-insensitive memory de-vices.Antiferromagnetic spintronics came into being under this background.According to the spin structure,antiferromagnetic materials can be classified into two general classes:collinear antiferromagnets and noncollinear antiferromagnets.This review article summarizes various means to modulating antiferromagnetic spins such as magnetic fields,spin-orbit torque induced by an electric current,electric fields applied on the ionic liquid and piezoelectric substrates,and hydrostatic pressure.As a re-sult,the anomalous Hall effect,exchange bias and longitudinal resistance can be manipulated reversibly.Moreover,this re-view points out the differences and similarities among ferromagnetic materials,collinear and noncollinear antiferromagnetic ma-terials.Finally,the potential of antiferromagnetic materials for future information technology is also discussed.Key words :antiferromagnets;spin;electric-field control;piezoelectric stress;spin-orbit torque1㊀前㊀言1988年巨磁阻效应的发现[1,2],使存储数据所需的磁性存储器件的尺寸极大地缩小,从而使得硬盘的存储能力显著提高,革命性地促进了信息存储技术的发展㊂这项现代科学与技术的完美结合,为隧穿磁阻效应的发现和自旋电子学的发展奠定了基础[3-8]㊂当前的磁存储记录设备中,铁磁材料是信息存储的主要载体㊂信息时代的日新月异对高密度低能耗存储和超快运算速度的需求不断增大[9,10]㊂由于铁磁材料中存在宏观磁矩,容易受到外界磁场的扰动,而且杂散磁场的干扰不允许存储单元之间紧密排列,这客观上限制了存储单元的高密度集成㊂与此同时,铁磁材料的共振频率(ωFM ʈγH A ,H A 为各向异性场,γ为电子旋磁比)大约是GHz 级,自旋动博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷力学的响应时间一般是ns级,很难满足未来存储设备快速写入/读取的要求㊂相较而言,反铁磁材料的共振频率(ωAFMʈγ㊀2H E H AʈγH SF,H E为反铁磁交换耦合场,H SF为自旋摇摆场)是THz级,使自旋动力学的响应时间可以缩短到ps级,速度要比传统铁磁材料快1000倍[11,12]㊂而且,由于反铁磁材料中相邻磁矩互相平行且反向排列,表现为零净磁矩,所以不会受到外界磁场的影响㊂更重要的是,反铁磁材料中没有杂散磁场,理论上信息存储单元可以紧密排列,极大地提高存储密度㊂反铁磁材料在自然界中有着广泛的分布,例如都柏林圣三一大学的Coey教授[13]对磁性材料的总结表明,反铁磁材料在整个磁性材料数据库中占绝大多数,这为将来的理论和实验研究提供了广阔的材料体系㊂同时,反铁磁材料的自旋构型呈现多样化,例如非共线反铁磁结构和反铁磁斯格明子等,并且表现出很多新奇的物理特性,如反常霍尔效应㊁拓扑霍尔效应㊁手性异常等[14-57]㊂这些新颖而独特的性质和效应吸引着研究者们广泛的关注和浓厚的研究兴趣,推动反铁磁成为自旋电子学领域的前沿热点之一㊂如果能够实现对反铁磁自旋结构和性质的有效控制,那么对于将来新型器件的研究会起到很重要的推动作用㊂表1中列出了有关铁磁㊁共线反铁磁和非共线反铁磁的一些性质,可以显示出它们之间的相似和差异之处㊂表1㊀铁磁㊁共线反铁磁和非共线反铁磁特征Table1㊀Characteristics of ferromagnet,collinear antiferromagnetand noncollinear antiferromagnetFerromagnet Collinearantiferromagnet Noncollinear antiferromagnetSpin resonance frequency GHz THz THz Resistant to externalmagnetic fields No Yes No Have stray magnetic fields Yes No Few Easy to be controlledby the magnetic field Yes No Yes Possess anomalousHall effect Yes No Yes反铁磁中不存在宏观磁矩,很难通过外部磁场的方式进行自旋调控,因此开发出一种高效㊁稳定的调控方式成为反铁磁材料取代铁磁材料进行实际存储应用的当务之急㊂电荷和自旋是电子的两个本征属性,材料自旋结构的改变能够引起材料多种性质的变化,因此自旋也成为了人们调控反铁磁材料的关注重点㊂在本文中,主要围绕共线反铁磁和非共线反铁磁材料,概述了近年来利用外场对反铁磁材料的自旋进行调控的研究,旨在为进一步发展拓宽反铁磁自旋电子学这个新兴领域提供思路㊂2㊀共线反铁磁外场调控共线反铁磁是相对于非共线反铁磁而言的最典型㊁最普遍㊁也是最早被发现的反铁磁结构㊂具体而言,指的是在一个特定温度,即Néel温度以下,反铁磁体内部磁结构的两个子晶格自旋反平行排列,且每一个子晶格的磁矩大小相等㊁方向相反㊂这种结构的反铁磁体的宏观磁性为零,即对外不显磁性[58]㊂由于共线反铁磁对外不显示宏观磁力线,它的磁矩很难被探测㊂因为这一原因,自1936年共线反铁磁被法国科学家Néel发现以来,一直被研究人员所忽视,甚至Néel因为发现反铁磁而获得诺贝尔奖后,在演讲中提到,反铁磁虽然在理论研究中很有趣,但是似乎没有什么实际用途[59]㊂后来,共线反铁磁因为和铁磁之间的交换偏置作用,被应用于磁隧道结中,作为铁磁的钉扎层㊂但是这一过程中反铁磁也仅起辅助作用,对器件的运作没有起到核心功能作用㊂近年来,通过理论和实验的深入研究发现反铁磁具有一系列优异的性质,如在自旋电子学器件方面表现出巨大的潜力,甚至有望在数据存储方面取代铁磁材料㊂然而,如何对反铁磁自旋轴进行有效调控,进而实现数据的写入和存储,仍然是一个难题㊂对于单轴磁晶各向异性能较强的反铁磁,当沿反铁磁易轴施加的磁场逐渐增大达到临界场时,与磁场方向相反的磁矩突然翻转到沿磁场方向,从而使两个磁矩平行排列并达到饱和,这一转变形式被称为自旋翻转转变(spin-flip transition)(图1)㊂对于单轴磁晶各向异性能较弱的反铁磁,当沿反铁磁易轴施加磁场到临界场时,原来反向平行排列的两个子晶格的磁矩突然转至垂直于磁场的方向,再随着磁场的增大分别旋转至沿磁场方向平行排列,这种转变形式被称为自旋摇摆转变(spin-flop transition)(图2)㊂无论是哪一种转变方式,所需的外加磁场都是非常大的,对于spin-flop transition,临界场spin-flop field和反铁磁交换耦合场H E以及各向异性场H A 有关,H SFʈ㊀2H EH A,它的数值通常可以达到几十特斯拉甚至上百特斯拉㊂因此,通过磁场旋转反铁磁自旋轴是相当困难的,导致其在实际应用于存储器方面也不可行㊂寻找一种切实可行的方法以有效操纵反铁磁吸引着研究人员从理论和实验出发不断探索㊂图1㊀自旋翻转转变示意图Fig.1㊀Schematic illustration of spin-flip transition288博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期闫㊀晗等:共线反铁磁和非共线反铁磁自旋的外场操控图2㊀自旋摇摆转变示意图Fig.2㊀Schematic illustration of spin-flop transition2011年,Park 等[18]使用反铁磁材料IrMn 构建了NiFe /IrMn /MgO /Pt 的自旋阀结构磁隧道结㊂他们利用铁磁材料NiFe,通过铁磁层和反铁磁层之间的界面交换弹簧作用引起IrMn 反铁磁自旋轴的旋转,从而实现隧道结输运特性的改变㊂在4K 的低温环境下,隧道各向异性磁电阻信号变化超过100%(图3)㊂这一实验成果证实了使用反铁磁材料作为关键核心层实现磁存储的可能性㊂但是,该隧道结器件仅可在极低温环境下工作,隧道各向异性磁电阻随温度升高而衰减,并在100K 以上完全消失㊂另外,这种反铁磁自旋轴的旋转过程首先需要磁场旋转铁磁层的自旋轴,再通过铁磁层带动反铁磁层自旋翻转,翻转速度受限于铁磁层,不能发挥反铁磁自旋翻转速度更快的优势㊂并且,这种反铁磁自旋轴调控方式利用外加磁场进行操作,能耗仍然很高㊂图3㊀NiFe /IrMn /MgO /Pt 自旋阀结构磁隧道结[18]:(a)4K 低温环境下磁隧道结的磁电阻随磁场的变化曲线,插图表示NiFe 铁磁层的交换弹簧作用对IrMn 反铁磁层自旋轴的旋转;(b)磁隧道结的结构示意图;(c)4K 低温环境下磁隧道结的磁电阻回滞曲线Fig.3㊀NiFe /IrMn /MgO /Pt spin-valve-like magnetic tunnel junction [18]:(a)magnetoresistance of magnetic tunnel junction at 4K,theinsets illustrate the rotation of spin axes in IrMn antiferromagnet through the exchange-spring effect of NiFe ferromagnet;(b)schemat-ic of magnetic tunnel junction;(c)hysteretic magnetoresistance of the magnetic tunnel junction at 4K㊀㊀随后,研究人员致力于通过外场直接调控反铁磁自旋轴㊂2014年,加利福尼亚大学伯克利分校的Marti 等[19]在MgO 基片上生长了FeRh 反铁磁单晶薄膜㊂FeRh 在350K 左右存在由低温反铁磁相到高温铁磁相的一级磁性相变㊂研究人员首先将FeRh 薄膜升温到约400K,使其转变为铁磁态,再施加一个9T 的外加磁场,使FeRh 的磁矩沿外磁场方向排列,并保持磁场冷却至室温㊂结果发现,低温反铁磁相的自旋轴方向垂直于冷却场的方向㊂这样就可以通过改变在FeRh 磁性相变过程中施加冷却场的方向来改变FeRh 薄膜中反铁磁自旋轴的方向(图4a)㊂同时,电阻测量发现当FeRh 反铁磁自旋轴垂直于电流方向时,电阻较低;自旋轴平行于电流方向时,电阻较高,FeRh 反铁磁相中存在与铁磁材料相似的各向异性磁电阻效应㊂该实验利用磁性相变过程中施加冷却场方向的不同,通过控制反铁磁自旋轴的方向,来调控反铁磁材料的高低电阻态的变化(图4b),实现了第一种室温双稳态反铁磁存储器件的制备㊂研究成果证明了反铁磁材料制造存储器件并通过外场直接调控反铁磁以进行数据写入和存储的可行性㊂但是,该存储器件的反铁磁自旋轴翻转过程依赖于FeRh 的反铁磁-铁磁磁性相变,也就是说需要加热到室温以上并同时施加高达9T的外加磁场,过程复杂且能耗非常高,不仅延长了操作时间,也限制了其实际应用㊂2016年,Jungwirth 研究小组[26]利用电流诱导的自旋轨道力矩,调控了室温下反铁磁CuMnAs 薄膜中的自旋轴㊂CuMnAs 晶体在室温下为反铁磁材料,两个Mn 子晶格具有大小相等㊁方向相反的磁矩,是典型的共线反铁磁材料㊂通过向CuMnAs 薄膜中通入电流,产生电流诱导的内部交错自旋轨道力矩,诱使反铁磁自旋轴翻转,实现对CuMnAs 薄膜反铁磁序参数的电性调控(图5a)㊂同时,由于存在各向异性磁电阻,实现了CuMnAs 反铁磁薄膜电阻高低电阻态的变化(图5b)㊂相较于铁磁材料,反铁磁薄膜自旋轴翻转需要的电流密度更低,这就相对减少了数据写入过程中通入电流产生的焦耳热㊂另外,这种通过纯电流方式实现反铁磁材料高低阻态调控的方式不需要加热与外加磁场,更加方便,为反铁磁自旋电子存储器件的实现开辟了新途径㊂尽管这种电流调控方式为反铁磁存储的实现带来了希望,并吸引了研究者们的兴趣,一度将反铁磁自旋电子学的研究推向热潮,然而,这种反铁磁调控方式背后388博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷图4㊀FeRh 反铁磁相变存储器[19]:(a)器件结构和数据读写过程示意图,(b)在200K 以及室温下测量的高低电阻态Fig.4㊀FeRh antiferromagnetic phase transition memory deivce [19]:(a)schematic of the device structure and the memory writingand reading procedure,(b)high-resistance and low-resistance states at 200K and room temperature,respectively图5㊀CuMnAs 共线反铁磁的自旋轨道力矩调控[26]:(a)CuMnAs /GaP 器件的光学显微照片及测量配置图,(b)在室温下施加电流脉冲后器件的电阻Fig.5㊀Spin-orbit torque of CuMnAs collinear antiferromagnet [26]:(a)optical microscopy image and measurement configurationof CuMnAs /GaP device,(b)resistance of the device after applying current pulses at room temperature的机制还不是非常明确㊂2019年,美国约翰霍普金斯大学Chein 研究团队[60,61]对这种向反铁磁薄膜通入电流使材料电阻改变的机制提出了不同的观点,他们认为电阻变换并非来自于自旋轨道力矩㊂在实验中,他们发现Pt /NiO /Si 异质结的电阻变化只会发生在当电流密度超过一定阈值大电流的非欧姆电阻区域,这时会产生大量的焦耳热,有可能会永远改变材料的电阻率和其他性质㊂而且,当基底不同时,电阻变化也会发生改变,这可能是由于基片热导率的差异引起焦耳热对材料电阻率的影响不同(图6a ~6f)所导致的㊂进一步地,他们移除了异质结中的反铁磁NiO 层,将Pt 直接生长在了不同的Si㊁MgO 和玻璃基片上,通入电流后,三者都出现了类似于之前报道中自旋轨道力矩引起的锯齿状电阻变化㊂但是,在热导率最大的Si 衬底上的Pt 电阻变化很小,对于热导率最小的玻璃衬底,Pt 薄膜的电阻变化最大,而热导率居中的MgO 上的Pt 电阻变化幅度居于前两者之间(图6g ~6l)㊂这一结果更加支持了这种电阻变化是焦耳热作用的结果的观点㊂因此,他们认为电流调控反铁磁电阻变化不是由于电流诱导的自旋轨道力矩使反铁磁的奈尔矢量发生了翻转,而是由于大电流通过反铁磁材料时产生的热效应㊂另一研究[62]认为锯齿状电阻变化是热效应导致的,而自旋轨道力矩可以引起阶梯状电阻变化㊂自旋轨道力矩仍是一种有效调控反铁磁自旋进而引发反铁磁材料电阻变化的方式㊂这种调控方式的一个关键问题是识别和排除电流引起的热效应的影响㊂但是,之后一些对这种电阻变化现象的深入研究得出了不同结论㊂苏黎世联邦理工学院Gambardella 团队[63]在不同的绝缘基片上分别生长了Pt 薄膜和Pt /NiO 双层膜,观察到电流脉冲在这两种体系中都会产生同样的锯齿状和阶梯状电阻变化,排除了这些电阻变化来自于NiO 反铁磁自旋轴翻转,基片热扩散率对电阻响应有重要影响㊂他们认为Pt 层通入电流产生焦耳热后的热退火作用会引起局部电阻率降低,而电场诱发的离子迁移会引起电阻率增加,这两种效应共同作用㊁相互竞争,最终导致材料电阻高低的变化㊂麻省理工学院Beach 团队[64]488博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期闫㊀晗等:共线反铁磁和非共线反铁磁自旋的外场操控图6㊀电流焦耳热对材料电阻变化的贡献[60]:器件结构以及霍尔电阻测量(a)和普通电阻测量(b)原理示意图;施加电流脉冲后,Pt /NiO /Si 中的霍尔电阻(c)和普通电阻(d)变换以及Pt /NiO /玻璃中的霍尔电阻(e)和普通电阻(f)变换;施加电流脉冲后,Pt /Si(g)㊁Pt /MgO(i)和Pt /玻璃(k)中的霍尔电阻变换以及Pt /Si(h)㊁Pt /MgO(j)和Pt /玻璃(l)中的普通电阻变换Fig.6㊀Contribution of joule heating to resistance switching[60]:sche-matic illustrations of devices and measurement geometry of Hallresistance (a)and longitudinal resistance (b);swithcing of Hall resistance (c)and longitudinal resistance (d)in Pt /NiO /Si and swithcing of Hall resistance (e)and longitudinal resist-ance (f)in Pt /NiO /glass after applying pulses current;swithc-ing of Hall resistance in Pt /Si (g),Pt /MgO (i)and Pt /glass (k)and switching of longitudinal resistance in Pt /Si (h),Pt /MgO (j)and Pt /glass (l)同样观察到,没有反铁磁层的Pt /Al 2O 3中通入电流脉冲会产生类似于Pt /NiO /Al 2O 3中的锯齿状和阶梯状电阻变化㊂结论表明,这种电阻变化来源于材料局部热效应,是材料中焦耳热不均匀导致的电流分布变化与电场引起离子迁移共同作用的结果㊂这些工作与之前关于热效应的研究结果一致,共同支持了这种电流脉冲引起的电阻变化与反铁磁自旋翻转无关,而与电流产生的热效应存在密切关系这一结论㊂除此之外,来自麻省理工学院Liu 研究小组[65]也发现了反铁磁中的电阻转变并非来源于磁性力矩的情况㊂他们发现,对于通入电流引起共线反铁磁材料α-Fe 2O 3的电阻变化,有无外加磁场对这一过程并没有影响,因为α-Fe 2O 3室温下存在倾斜的未补偿的磁矩,这说明很可能电流引起的反铁磁电阻变化与磁性矢量并不相关㊂电阻变化前后的自旋霍尔磁电阻(spin Hall magnetoresist-ance,SMR)信号没有明显的变化更加说明电流诱导电阻变换和奈尔矢量旋转之间是独立的㊂从而提出电流产生的焦耳热使基片晶格受热膨胀,再通过磁弹性耦合对α-Fe 2O 3反铁磁的电阻变换产生重要贡献㊂这些不同的观点和争论使这种电流调控的锯齿状电阻变换的潜在起源和机制变得扑朔迷离[60-67]㊂电流产生的大量焦耳热对电阻变换的贡献和影响也使得这种方式调控反铁磁在实际应用上不具有优势,因为焦耳热效应并不可靠且不便于外部控制,研究者们期望寻找可靠的低能耗反铁磁自旋调控方法㊂作者课题组[51]提出一种电场诱发铁电基片压电应力调控反铁磁薄膜电阻的方法㊂在铌镁酸铅-钛酸铅(Pb-Mg 1/3Nb 2/3O 3-PbTiO 3,PMN-PT)铁电单晶基片上生长外延的MnPt 共线反铁磁薄膜,通过施加一个垂直于样品表面方向上的电场诱发基片产生压电应力(图7a),使外延的反铁磁薄膜产生连续的面内双轴压缩应变,薄膜的反铁磁自旋轴朝着表面法线方向旋转(图7e 和7f)㊂同时,由于存在各向异性磁电阻,反铁磁轴的旋转会使薄膜电阻发生变化㊂这样电阻随着电场呈现不对称蝶形图样的连续变化,可以得到高低电阻态㊂重要的是,这种高低电阻态是非易失性的,即在零电场下也可以保持(图7b 和7c)㊂该工作实现了一种电场诱导压电应力调控的反铁磁存储器件㊂这种新型的电场调控依靠压电应力的方式,由于铁电氧化物基片是绝缘的,所以产生的电流非常小(~nA),基本可以忽略,这意味着数据写入过程中产生的能耗将很低㊂同时,由于电流非常小,而且MnPt 共线反铁磁的反铁磁耦合相当强,因此该压电应力控制存储器件的数据写入过程以及数据存储可以不受强磁场的影响,写入的高低电阻态在60T 超强脉冲磁场中仍然非常588博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷图7㊀电场诱发压电应力调控的MnPt反铁磁存储器[51]:(a)器件结构以及电场调控示意图;(b)室温下MnPt薄膜电阻随门电压的变化;(c)在室温以及0,9和14T磁场下,由+1.87和-6.67kV/cm的电压脉冲激发的高电阻态和低电阻态;(d)室温下施加高达60T的脉冲磁场时低电阻态的变化;高电阻态(e)和低电阻态(f)的自旋结构示意图Fig.7㊀MnPt antiferromagnetic memory device manipulated by piezoelectric stress[51]:(a)schematic of the device structure and electric-field control;(b)gate-voltage-dependent resistance of the MnPt film at room temperature;(c)the high-and low-resistance states triggered by gate voltage pulses of+1.87and-6.67kV/cm,respectively,at room temperature under a magnetic field of0,9and14T;(d) low-resistance state as a function of a pulsed magnetic field up to60T at room temperature;illustrations of the spin structure at the high-resistance state(e)and low-resistance state(f)稳定(图7d)㊂所以,集成了稳定的反铁磁性和有效的电场调控反铁磁方法的这一器件具有独特的优势,尤其是对强磁场的不敏感性将使其不易消磁并可能应用于航空航天等特殊的领域㊂在共线反铁磁的磁场调控和电流调控都存在局限的情况下,电场引发的压电应力调控给出了另一种思路,对较难调控的共线反铁磁自旋轴实现了相对有效的控制㊂紧随压电应力调控MnPt的文章之后,通过对PMN-PT铁电基片施加电场诱发压电应力对共线反铁磁Mn2Au进行有效调控的研究也被报道[68]㊂此外,有关的理论计算研究[69]也表明,对于Mn X(X=Ir,Rh,Ni,Pd,Pt)共线反铁磁,电场诱发较小的压电应力即可控制反铁磁自旋轴旋转90ʎ,且该压电应力调控自旋的方式有可能对于共线反铁磁调控是通用的㊂因此,作者课题组[11,51]提出了 反铁磁压电自旋电子学 的新概念㊂最近,Barra等[70]通过对SMR效应的测量研究了在PMN-PT铁电基片上施加电场诱发压电应力对共线反铁磁NiO的调控㊂研究发现随着施加电压的增大,SMR信号达到饱和所需要的磁场减小了,这说明类似于外加磁场,外加电场诱发的压电应力通过调控各向异性可以有效地操纵反铁磁自旋轴㊂当压电应力和磁场共同作用于NiO时,反铁磁奈尔矢量的取向取决于外加磁场和压电应力引发的各向异性之间的平衡㊂进一步通过理论计算模拟了压电应力和磁场共同作用对SMR响应的影响(图8),进一步揭示了两种调控机制之间的联系,模拟结果与实验结果也较为相符㊂该成果再次从实验角度证明了电场诱发压电应力方式对共线反铁磁进行电调控的可行性㊂这种调控方式在反铁磁调控方面具有高有效性和低能耗等独特优势,在反铁磁存储器件和其他自旋电子器件应用中发挥重要作用㊂图8㊀NiO中自旋霍尔磁电阻信号的应力-磁场相图[70]Fig.8㊀Strain-field phase diagram of SMR signal in NiO[70]与此同时,另外一种电场调控方式也被研究者们用于反铁磁调控,即离子液调控[65-68],它是通过电场激发688博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期闫㊀晗等:共线反铁磁和非共线反铁磁自旋的外场操控离子液中的静电载流子注入相邻的磁性材料中,改变材料的载流子密度,从而对材料的电性㊁磁性进行调控㊂这种方法只需要最多几伏特的较低电压,就可以产生较大范围的影响,可穿透材料表面以下几纳米的深度,在~1015cm-2大范围内改变载流子密度,因此该方法对材料的电性㊁磁性调控是比较显著的㊂2015年,清华大学Pan 和Song 研究小组[71]的文章报道,在离子液体上施加电压对共线反铁磁MnIr 薄膜和CoPt 铁磁多层膜之间的交换弹簧进行控制(图9a)㊂在Si 基片上依次生长了MnIr 薄膜和CoPt 多层膜,其后用HfO 2封装以防止离子液与器件功能区发生化学反应㊂当在顶层的HfO 2上滴加离子液并施加负电场后,霍尔信号的磁滞回线向磁场数值的负方向移动,而在施加正电场后,这种变化正好相反(图9c)㊂此外,施加电压使反铁磁和铁磁之间的交换偏置效应得到增强(图9d)㊂他们认为,这种电场激发的离子液调控使MnIr 中的载流子浓度发生变化,进一步改变了Mn 的电子结构并使磁矩旋转㊂这一调控得到了非易失性的高低电阻态并且在一定的磁场下仍然稳定(图9e)㊂该研究实现了电场引发的离子液控制载流子注入对共线反铁磁磁性和电阻的调控㊂图9㊀MnIr 共线反铁磁薄膜的离子液调控[71]:(a)器件结构㊁测量原理㊁施加正的门电压的电荷分布㊁MnIr 薄膜的自旋结构以及机械弹簧的示意图;(b)室温下,器件电阻与施加门电压时间的关系;(c)10K 环境下,施加不同的门电压后,由3nm MnIr 薄膜构成的器件的反常霍尔效应信号;(d)从图9c 中提取的交换偏置场H E 和矫顽场H C ;(e)10K 环境下,由不同的门电压引发的在10T 外加磁场范围内的磁电阻Fig.9㊀Ionic liquid control of MnIr collinear antiferromagnetic film [71]:(a)schematics of device structure,measurement geometry,charge distributionwith a positive gate voltage,the spin structure in MnIr film and mechanical spring;(b)resistance of the device as a function of time on apply-ing a gate voltage at room temperature;(c)anomalous Hall effect signal of the device with a 3nm MnIr film after applying different gate volta-ges at 10K;(d)the exchange bias field H E and coercive field H C extracted from Fig.9c;(e)magnetoresistance with applied magnetic field up to 10T induced by different gate voltages at 10K㊀㊀随后,一些研究小组实现了在纯反铁磁结构中单个反铁磁层的离子液调控[72-74],有望实现离子液调控的反铁磁存储器件㊂由于是电场调控,这一方式同样具有低能耗的特点㊂但是,这种方法同样存在一些显著的缺点,比如,对材料的调控过程往往耗时较长(图9b),而且不能在低温下进行,因为低温下离子液会改性甚至在熔化温度以下会凝固㊂此外,还需要液体状态的离子液与材料形成固液界面,也就意味着这种方式很难与现有的电子电路工艺兼容以及高密度集成㊂3㊀非共线反铁磁外场调控当电流经过导体,与此同时在电流垂直方向施加一个磁场,由于洛伦兹力的作用载流子会在垂直于电流和磁场的方向上发生偏转,进而产生电势差,这就是Hall 在1879年提出的霍尔效应[75],由此而生的霍尔器件被广泛地应用于传感㊁探测和现代汽车工业领域㊂然而Hall 在随后的研究中发现,磁场并不是产生霍尔效应的必要条件,铁磁材料中的自发磁化强度会使得霍尔效应在零磁场的环境下出现,这种现象被称为反常霍尔效应[76]㊂人们普遍地将反常霍尔效应归因于磁性材料中的自旋轨道耦合作用,并认为反常霍尔效应与材料的磁化强度大小呈正相关㊂反常霍尔效应因其不需要任何外加磁场,成为人们开发新型传感器件和磁随机存储器件的研究热点㊂传统的共线反铁磁材料,两套自旋子晶格反向平行排列,不存在宏观磁矩,所以没有反常霍尔效应㊂非共788博看网 . 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超导材料的自旋电子学性质与应用展望
超导材料的自旋电子学性质与应用展望引言超导材料是一类具有零电阻和完全磁通排斥的特殊材料，其在电子学、能源和磁学等领域具有重要的应用前景。
近年来，人们对超导材料中自旋电子学性质的研究越来越深入，发现自旋在超导材料中扮演着重要的角色。
本文将就超导材料的自旋电子学性质进行探讨，并展望其在未来的应用前景。
一、超导材料的自旋电子学性质1. 自旋三重态自旋三重态是超导材料中的一种重要现象，它指的是在超导材料中自旋向上和自旋向下的电子形成一个自旋三重态。
这种自旋三重态的形成对于超导电流的传输具有重要的影响，可以提高超导材料的临界温度和临界电流密度。
2. 自旋电流超导材料中的电子不仅具有电荷，还具有自旋。
自旋电子学研究发现，自旋电子可以形成自旋电流，这种自旋电流可以在超导材料中传输，而且具有较长的自旋弛豫时间。
这使得超导材料在自旋电子学领域具有广泛的应用前景。
3. 自旋操控超导材料中的自旋可以通过外部磁场、电场和光照等手段进行操控。
例如，可以利用外部磁场调控超导材料中的自旋三重态，从而实现对超导电流的控制。
这种自旋操控的能力为超导材料在量子计算和自旋电子学器件等领域的应用提供了新的可能性。
二、超导材料的自旋电子学应用展望1. 量子计算超导材料的自旋电子学性质为量子计算提供了新的思路和方法。
自旋三重态的形成和自旋操控的能力使得超导材料成为实现量子比特的理想平台。
通过将自旋作为量子比特的基本单元，可以实现更高效、更稳定的量子计算。
2. 自旋电子学器件超导材料的自旋电子学性质还可以应用于自旋电子学器件的制备。
例如，可以利用超导材料中的自旋电流来实现自旋转换器件，从而实现自旋信息的传输和处理。
这种自旋电子学器件有望在信息存储、通信和计算等领域发挥重要作用。
3. 能源应用超导材料的自旋电子学性质还可以应用于能源领域。
例如，可以利用超导材料中的自旋电流来实现高效的能量传输和存储，从而提高能源利用效率。
此外，超导材料的自旋电子学性质还可以用于制备高性能的能源转换器件，如超导发电机和超导电池等。
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这 种 结 构 由 被 非 磁 隔 离 层 (NMlayers)分开的薄铁磁层(FM-layers) 组成
非磁隔离层的存在使得相邻铁磁 层存在交换耦合作用，即它们磁化 方向处于反平行状态（AF）
巨磁阻和巨磁阻材料
磁阻-Magnetoresistance (MR)
磁阻——由磁性引起的附加电阻 一百多年以前便知道外加磁场可改变电阻值的 大小 在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentz力 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spinorbital 耦合引起的，也就是各向异性磁阻 然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价 值也较有限，主要是作一些简单的传感器
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，
Fert教授在4.2K 的低温，在 (Fe/Cr)n，n = 60系统中测量得 到50% 磁阻变化，
Grunberg教授則在室温下，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 统 中 测得约10% 的磁阻变化率。
Conduction electron: Spin-up and spindown.
自旋电子学-Spin Electronics
1995年后，GMR的研究发展成为一门新型的学科---自 旋电子学(Spin electronics)
主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的组合的 磁阻效应实现器件和电路功能，例如： –计算机硬盘驱动器的读磁头 –非挥发磁随机存储器(MRAM), –电路隔离器（circuit isolators）
–自旋阀传感器
自旋阀 (Spin Valves)
Exchange-biased spin-valves were developed by Dieny et al., Phys. Rev. B43, R1297(1991).
Spin configuration of an FM-AFM bilayes
即一个微弱的磁场变化可以在特定系统中产生 很大的电阻变化
巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合在一起
从而诞生了磁电子学和自旋电子学
Electron spindependent transport;
Two-channel conduction theory (Fert and Campell, J. Phys. F6, 849(1976);
-
T L S
The magnetic moment due to spin motion:
-
磁性材料的应用
钢铁研究总院 10 GB 5.25 in.
40 GB 3.5 in.
NS
计算机硬盘以及 微电子机械系统 (MEMS)的小型 化及高性能化
NS
关键技术之一: 磁性材料的 小型化、高性能化和集成化
这种耦合作用可以用RudermanKittel-Kasuya-Yoshida(RKKY) 模 型解释
外磁场H克服层间耦合可使所有 磁层的磁化方向从反铁磁模式(AFmode) 同时转换为平向方向，即铁 磁模式(F-mode)。
1988年发现三层结构推广到多层时，在室温下其 磁阻超过10 %； 为了强调磁阻显著的变化，特意在这种“磁阻” （“MR”）之前加上“巨”（“giant”），而称为 “巨磁阻”（“GMR”）。
磁阻-Magnetoresistance (MR) 几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场 中物质的附加磁阻（W. Thomson 于1857年发现），即
磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关
巨磁阻-Giant Magnetoresistance (GMR) 巨磁阻发现的前期工作是1986年Grünberg对Fe/Cr/Fe 三层膜的研究 他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性 意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个Fe 层薄膜之间产生反铁磁交换耦合作用，相邻铁膜从铁磁相 转化为反铁磁相。
自旋电子材料
(磁性+电性)
Origin of Magnetism
Magnetism is originated from the motion of electrons around the nucleus (planetary like motion)
Hale Waihona Puke The magnetic moment due to orbital motion:
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性半导体(稀磁半导体)
Mechanism of Ferromagnetism in DMS
Double-exchange (EF<EAF)
RKKY interaction
eg
simultaneously
t2g
According to Hund rule on the intra atomic exchange, the carriers do not change their spin orientation when hopping from one ion to the next, so they can only hop if the spins of the two ions are parallel. Therefore, this parallel spin alignment induces ferromagnetism。
Albert Fert Peter Grunberg
后来的研究中，巨磁阻越来越显著。
法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔因发 现巨磁阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖
瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，他们 1988 年 各 自 独 立 发 现 了 一 种 全 新 的 物 理 效 应——巨磁电阻