磁学研究现状与发展趋势

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现代磁学>>新磁学过渡
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 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。 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。 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 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。
生自旋极化电流一种方式。
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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
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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、超
• 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小；不能说明分子 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
• 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用
• 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
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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，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，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、坡 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 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。 按照磁体成分划分，永磁材料的发展历程可以分为三个阶 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 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。
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。
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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
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 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
新概念
新效应
新规律
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。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，
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
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
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，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，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 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，引领新一代信息技 术
磁学研究现状与发展趋势
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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 新磁学研究方向 举例
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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 （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 居里定律
• 1907年外斯（Weiss）假设分子场，解释了自发磁化。
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，对于庞探磁电索阻相效关应量子效应
的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。
多铁性现象
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奇异表面/界面关联效7应
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，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、自旋弛豫行为以 及自旋相干性的演变等，更加关注自旋的量子特性。
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。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
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。椭圆偏振光对电子的选择性激发也是产
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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、独特的层间耦合以 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） 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。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。
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
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，而传统磁学
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
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
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。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，
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