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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。
自旋电子学的发展及其应用自旋电子学是一种新兴的研究领域，它涉及到自旋在电子学中的应用。
自旋电子学的发展可以追溯到20世纪60年代，当时科学家发现自旋可以在半导体中传递电信号。
然而，这个领域的真正飞跃是在21世纪初，随着新型材料和技术的发展，自旋电子学开始迎来了蓬勃的发展。
本文将从自旋电子学的基础原理、材料和技术发展、以及自旋电子学在实际应用中的优势等方面，详细介绍自旋电子学的发展及其应用。
一、自旋电子学的基础原理自旋电子学是基于自旋的量子属性，研究自旋在材料中的行为和特性，包括自旋的产生、传输、控制和检测。
自旋是电子的一种固有属性，可以看作是电子围绕自身旋转的一种特殊运动状态。
自旋有两种可能的取向，即上自旋和下自旋。
在外磁场的作用下，上自旋和下自旋的能量不同，因此可以通过磁场来控制自旋的取向。
二、自旋电子学的材料和技术发展随着自旋电子学的不断发展，研究人员已经发现了一些材料，这些材料具有优异的自旋特性，例如：铁磁性材料、半导体材料、自旋霍尔效应材料等。
在技术方面，研究人员已经发明了一些新的技术，例如：磁隧道结构技术、磁电阻技术、磁性记忆技术等，这些技术为自旋电子学的发展提供了有力的支持。
三、自旋电子学的应用自旋电子学已经被广泛应用于电子学和信息技术领域，具有广泛的应用前景。
下面列举了一些自旋电子学的应用：磁性存储器：磁性存储器是自旋电子学应用的一种重要形式，它可以实现高速读写、高密度存储和低功耗等优点。
自旋电子器件：自旋电子器件是利用自旋电子学的原理设计的器件，它具有高速、低功耗、稳定性好等特点，可以应用于处理器、存储器和通信设备等领域。
自旋电子输运：自旋电子输运是指利用自旋电子学的原理，设计实现一些新型的电子器件和传感器，用于探测、测量和传输电信号，例如自旋电荷泵、自旋输运晶体管等。
自旋电子学在量子计算中的应用：量子计算是一种全新的计算方式，自旋电子学中的自旋量子位可以用来存储量子信息，实现量子计算。
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。
自旋电子学与自旋电子器件自旋电子学是一门研究将电子的自旋运动作为信息的载体进行存储、传输和操作的学科。
自旋电子器件则是应用自旋电子学原理开发的电子器件。
自旋电子学与自旋电子器件的发展具有重要的科学意义和应用价值，本文将从理论原理、器件分类以及未来发展方向等方面进行阐述。
一、理论原理自旋电子学是基于电子的自旋运动而建立的一种新型电子学理论。
电子除了具有电荷属性外，还具有自旋属性，自旋可以理解为电子围绕自身轴的旋转运动。
在经典物理学中，自旋可以类比为地球绕自转轴旋转。
自旋的特点在于它具有两种取向，分别为上旋（spin up）和下旋（spin down）。
这两种取向可以表示为"1"和"0"，即可以用来储存和传输信息。
二、器件分类根据实际应用需求，自旋电子器件可以分为几个不同的分类。
常见的自旋电子器件包括自旋电子存储器、自旋场效应晶体管（spin field-effect transistor, Spin-FET）以及自旋逻辑门等。
1. 自旋电子存储器自旋电子存储器是一种利用自旋自由度实现信息存储的设备。
其中最典型的是自旋隧穿磁阻（spin-tunneling magnetoresistance, STT-MRAM）存储器。
其原理是通过调控自旋电子在磁隧道结构中的隧穿电流，实现对存储信息的读写操作。
STT-MRAM存储器具有非易失性、高速写入和低功耗等优势，被广泛应用于电子产品的存储领域。
2. 自旋场效应晶体管自旋场效应晶体管是一种利用自旋转移效应进行电子输运的器件。
通过在半导体材料中引入磁性材料，在电场调控下实现自旋电子流的控制。
自旋场效应晶体管具有高速、低功耗和可控性强等特点，被广泛应用于自旋逻辑电路和自旋电子通信等领域。
3. 自旋逻辑门自旋逻辑门是一种基于自旋操控实现逻辑运算的器件。
传统的电子逻辑门是基于电荷操控的，而自旋逻辑门则是利用自旋电子的上旋和下旋状态作为输入和输出。
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。
电子工程中的自旋电子学理论自旋电子学理论是电子工程中的一个重要研究领域，其研究对象是电子的自旋，而不是电子的电荷。
随着磁性存储技术的快速发展，自旋电子学理论已被广泛应用于电子器件和计算机技术等领域。
本文将重点探讨自旋电子学理论的定义、原理及其在电子工程中的应用。
一、自旋电子学理论的定义自旋电子学理论是描述自旋与磁性相互作用的一种物理理论，主要应用于磁性材料的研究与应用，以及磁性存储设备的制造与优化。
在自旋电子学理论中，电子不仅具有电荷，而且具有自旋。
自旋指的是电子固有的自旋磁矩，是电子运动方向的磁场。
通过控制电子自旋，可以控制材料的磁性。
二、自旋电子学理论的原理首先要了解自旋的基础概念：自旋是电子的内禀属性，类似于固定轨道运动和角动量。
自旋有两个可能的方向，即“上”和“下”，可以用“+1/2”和“-1/2”表示。
在一个磁场中，电子会受到与自己自旋方向相反的力，这个力被称为磁场作用力。
因此，在一个磁场中，自旋方向相同的电子会向磁场区域集中，而相反的电子会分散在区域中。
自旋电子学理论还包括两个重要的概念：自旋极化和自旋电流。
自旋极化是指电子自旋朝向相同的概率比自旋朝向相反的概率更高。
自旋电流是指在一个导体中存在自旋向一侧的电子流。
自旋电子学理论在这两个概念的基础上，发现了一些有用的现象。
三、自旋电子学在电子工程中的应用1. 磁性存储器自旋电子学在磁性存储器中应用非常广泛。
在传统的硬盘驱动器中，数据是存储在一个矩形磁区中，每个磁区代表一个比特。
在新型的自旋电子学硬盘中，数据被存储在一个小型磁区中，即自旋填充层(Spintronic layer)。
自旋填充层包括两个分离的层，可以分别控制电子的自旋方向和运动方向。
这种技术比传统磁性存储器更加紧密和容量更大。
2. 自旋电流器件自旋电流器件是自旋电子学的一种应用，其原理是利用自旋电流控制磁性材料的自旋方向。
一个自旋电流器件由两个磁层隔着一个绝缘层组成，自旋电流会从一个层流入另一个层。
物理学中的自旋电子学与自旋电子输运近年来，随着纳米科技的快速发展，自旋电子学作为一门新兴的跨学科研究领域，引起了物理学界的广泛关注。
自旋电子学主要研究电子的自旋特性以及与材料中的晶格结构和自旋轨道相互作用的关系。
自旋电子学的研究领域涵盖了自旋相关器件、自旋输运和自旋电子学材料等方面。
其中，自旋输运是该领域的核心问题之一。
自旋输运是指通过外加电场或磁场来操控电子的自旋状态，实现自旋信息的传输和处理。
与传统的电子输运不同，自旋输运中的电子不仅仅携带电荷，还携带着自旋信息。
在自旋电子学中，最重要的概念是自旋。
自旋是电子的一个内禀属性，类似地球围绕自转轴旋转一样。
电子的自旋可以有两个状态，即自旋上和自旋下。
这种自旋上和自旋下的超小量子态可以用来编码信息，实现自旋计算和存储。
因此，研究自旋电子学对于开发下一代信息存储与处理技术具有重要意义。
在自旋电子学领域，自旋输运的研究是非常关键的。
自旋输运可以通过材料的自旋轨道相互作用来实现。
自旋轨道相互作用是指电子的自旋与运动轨道的相互耦合。
这种相互作用使得电子的自旋方向受到了限制，从而影响了电子的输运行为。
自旋电子学中的自旋输运可以分为两种类型：弹性自旋输运和非弹性自旋输运。
弹性自旋输运是指电子在输运过程中不改变自旋状态。
非弹性自旋输运则是指电子在输运过程中发生自旋翻转。
研究者们通过设计特殊的材料结构和施加外加电场或磁场来控制自旋输运的过程，实现自旋的操控和传输。
自旋电子学的研究对于物理学的发展具有重要的影响。
通过自旋电子学的研究，科学家们可以开发出更小、更快、更高效的电子器件，实现更强大的计算和存储能力。
此外，自旋电子学的研究还有助于解决能源和环境问题。
例如，自旋电子学材料可以应用于磁性存储器件和磁性传感器，实现高密度数据存储和高灵敏度的磁场探测。
值得注意的是，自旋电子学研究领域还面临一些挑战。
首先，要寻找稳定的自旋电子学材料，并且能够在常温下实现自旋输运。
其次，要解决自旋输运中的自旋损失和噪声问题，提高自旋传输的效率和稳定性。
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。
固体物理学基础晶体的自旋电子学与自旋子态自旋电子学作为固体物理学的重要分支，研究自旋电子在固体材料中的行为和相互作用。
自旋是电子的固有属性之一，与电子的电荷密切相关。
通过探究自旋电子在晶体中的行为，科学家们逐渐揭示了自旋电子学的丰富多样性和潜力。
在这个领域中，自旋子态是一个引人注目的研究对象，它们是可以操控和操纵的自旋激发态。
本文将深入探讨晶体的自旋电子学和自旋子态。
一、晶体中的自旋电子学晶体是由周期性排列的原子或分子组成的固体材料。
在晶体中，电子的自由度受到晶格结构的限制和调控。
当电子在晶格中运动时，晶格中的周期性势场会对其产生作用，导致电子的动量和能量量子化。
与自由空间中的电子不同，晶体中的电子可以在能带中取离散的能量值，形成能带结构。
在晶格中，电子的自旋也受到晶格调制的影响。
自旋可以理解为电子围绕自身旋转所产生的磁矩。
晶体中的电子自旋与电荷密切相关，因此可以通过外加电磁场来操控电子的自旋状态。
例如，通过磁场可以改变电子自旋的定向，在固态系统中产生磁化效应。
二、自旋子态的概念与特性自旋子态是由自旋激发引起的一种电子激发态。
自旋子态在固体物理学和自旋电子学中具有重要的研究意义。
通过在晶体中引入自旋非线性相互作用，可以形成一系列自旋子态。
自旋子态可以通过多种手段进行操控，包括外部磁场、自旋极化光激发等。
自旋子态通常具有长寿命和强耦合性质。
由于自旋子态不仅与自旋自由度相关，还与晶格和其他自旋激发相互作用，因此其行为更复杂多样。
自旋子态可以被看作是自旋电子学中的“粒子”，具有自己的能级、自旋角动量等性质。
三、自旋子态的应用与前景自旋子态在固态材料中具有广泛的应用前景。
首先，自旋子态可以作为信息载体传递和处理信息。
借助自旋子态的长寿命和耦合性质，可以实现自旋逻辑门和自旋量子比特的操作，为量子计算和量子通信提供新的思路和方法。
其次，自旋子态在自旋电子学器件中具有巨大的潜力。
传统的电子学器件基于电荷的传输和控制，而自旋子态可以提供更快速、更节能的信息处理方式。
自旋电子学的原理及应用自旋电子学是一种新型电子学，它有着非常独特的原理和应用。
与传统电子学不同，自旋电子学可以通过控制电子的自旋来实现信息的存储和传输，同时还可以用于磁性材料的设计和制造。
本文将从自旋电子学的原理和应用两个方面进行阐述。
一、自旋电子学的原理自旋电子学是通过对电子自旋的控制实现信息传递和存储的一种新型电子学。
自旋是电子的一种基本性质，类似于电子的电荷和质量，但与电荷和质量不同的是，自旋是一个量子数，它表示电子的自旋角动量。
自旋有两个方向，分别为“上自旋”和“下自旋”。
自旋电子学的基本原理是，通过控制电子的自旋，可以实现信息的存储和传输。
自旋的控制是通过磁场实现的。
在磁场的作用下，电子的自旋会发生偏转，进而产生一个“自旋极化”的效应，即自旋向上的电子和自旋向下的电子在数量上不再相等，这就为信息存储和传输提供了可能。
自旋电子学的另一个重要原理是磁性材料中的自旋极化。
磁性材料中的自旋由于磁相互作用而定向，进而导致自旋极化现象的产生。
这个现象可以被用于磁性材料的设计和制造。
二、自旋电子学的应用自旋电子学的应用广泛，涵盖了信息技术、材料科学和物理学等领域。
以下是自旋电子学的几个常见应用。
1. 磁存储器磁存储器是自旋电子学最为广泛的应用之一。
磁存储器的工作原理是基于磁性材料中的自旋极化现象。
利用磁场可以将磁性材料中的自旋定向，这就实现了信息的存储。
磁存储器具有容量大、读写速度快、耐久性强等优点，被广泛应用于计算机、移动设备等电子产品中。
2. 自旋电荷分离器自旋电荷分离器是一种能够将电子的自旋和电荷分离的器件，也是自旋电子学中的重要应用之一。
它的工作原理是通过一定的材料结构和电场作用，将自旋极化的电子在材料中运动时，自旋和电荷的运动方向不同，进而发生分离。
自旋电荷分离器具有快速响应、高效率、低功耗等优点，被广泛用于传感器、运算器等领域。
3. 磁电隔离磁电隔离是利用自旋电子学中的自旋-轨道耦合现象实现的一种隔离效应。
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(GiantMagnetoresistance ，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。
更确切地说，要考虑自旋在某给定方向（例如z 轴方向）的投影的两个可能取值的波幅，即波函数中还应该包含自旋投影这个变量（习惯上取为），Z S 从而记为。
与连续变量r 不同，只能取两个离散值。
(,)Z r s ψZ S 2± 接下来，认识电的和磁的相互作用在强度上的差异和不同的特点，可以了解自旋电子学的潜力。
电荷周围存在电场，通过静电力和其他电荷发生相互作用，这种相互作用是强的和长程的。
在常见的半导体中，两个相距5的元电A荷间的相互作用能可达0.2eV ，它正比于距离的倒数。
1V 的电压可使载流子1r 改变1eV 的能量。
然而距离为5的一对电子自旋之间的磁偶极耦合能却只有A约eV 量级。
与静电相互作用相比，它是短程的。
在高达1T 的磁通密度下，710-自旋的能量变化只有eV 量级。
和静电相互作用相比，磁的相互作用要小几510-个数量级。
就存储应用而言，磁相互作用的短程性和弱的相互作用能意味着低功耗和高存储密度，因为靠得很近的磁量子位仍可以保持相互的独立性。
虽然电子自旋有这么多的优点可被利用，但是二次大战之后，世界文明的发展都只和电子学有关系，人们从不关心电子的磁性（电子自旋）。
经过多年发展，小到手表，大到宇宙，电子的电性有了充分利用，但是磁性一直沉睡着。
直到1988年，巨磁电阻效应的发现，第一次揭示了电子自旋的作用，因而具有重大的科学意义。
现在的超大规模集成电路在1平方厘米的面积上可以集成107～108个电子元件。
而目前公认的器件最小尺度是20纳米，一旦小于这个尺寸，传统的工作原理如欧姆定理等就会失效，量子效应则开始起作用。
量子效应是几率性、不可预测的，将导致器件工作不稳定。
要想突破这个尺寸限制，就必须利用电子的自旋，把自旋作为信息储存、处理、输运的主体。
自旋电子学是基于操纵和控制自旋的电子学。
它或将自旋（或磁性）作为信息的载体，通过电流或电压进行操控；或将自旋或磁场作为操控电荷或电流信息的手段。
操纵电子自旋是指控制自旋的布局，或操控载流子集合的自旋的相，或对单个电子或少数电子自旋进行相干操控。
自旋电子学可同时利用电子的自旋和电荷的性质，以实现电子学的功能或量子计算。
自旋电子学的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。
目前，自旋电子学的基础研究和应用开发都为物理学、材料科学和电子工程学等领域提供了广阔的发展天地。
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：一是基于铁磁性金属的器件；二是将自旋注入半导体器件；三则是单电子自旋器件。
目前进入应用的器件（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维象的。
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。
三、基于铁磁金属的自旋电子器件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。
但是对于铁磁金属，情况则不同。
在铁磁金属中，电子的能带分成两个子带，自旋向上子带和自旋向下子带。
这两个子带形状几乎相同，只在能量上有一个位移，这是由于铁磁金属中存在交换作用的结果。
正是由于两个子带在能量上的差别，使得两个子带的占据情况并不相同。
在费米面处，自旋向上和自旋向下的电子态密度也是不同的。
这样在铁磁金属中，参与输运的两种取向的电子在数量上是不等的，所以传导电流也是自旋极化的。
同时由于两个子带在费米面处的电子态密度不同，不同自旋取向的电子在铁磁金属中受到的散射也是不同的。
因此在系统中，如果存在铁磁金属，两种自旋取向的电子的输运特性也有着显著的差别。
基于铁磁金属的自旋电子器件正是利用上述的电子特性设计而成的。
巨磁电阻（GMR ）效应 早在1857年W.Thomson （开尔文勋爵）就在铁和镍中发现了磁电阻效应，即在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象。
由于磁化方向的导电电阻升高而垂直方向的电阻降低，故称之为各向异性磁电阻（Anisotropic Maganetoresistance ，AMR ）。
磁电阻的相对比值磁致电阻（Magnetoresistance ，MR ）可表示为：。
和分别为有磁场作用下和磁场为零时的电阻。
0()H H MR R R R R R =∆=-H R 0R MR 值随磁场增大而增大，最后达到饱和。
但铁磁金属与合金的饱和磁电阻值很小，只有约1%～5%。
1988年，Fe/Cr 金属多层膜在外磁场中电阻变化率高达50%的巨磁电阻效应（GMR ）被发现, 各国科学家开始从理论和实验上对多层膜GMR 效应展开了广泛而深入的研究。
GMR 产生机制取决于非铁磁层两边的铁磁层中电子的磁化（磁矩）方向，用于隔离铁磁层的非铁磁层，只有几个纳米厚，甚至不到一个纳米。
当这个隔离层的厚度是一定的数值时，铁磁层的磁矩自发地呈现反平行；而加到材料的外磁场足够大时，铁磁材料磁矩的方向变为相互平行。
电子通过与电子平均自由程相当厚度的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过。
因此，当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。
当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，从而使磁电阻发生很大变化。
自旋阀（Spin-valve ，SV ） 对于反铁磁耦合的多层膜，需要很高的外磁场才能观察到GMR 效应，故并不适用于器件应用。
在GMR 效应基础上人们设计出了自旋阀，使相邻铁磁层的磁矩不存在（或只存在很小的）交换耦合。
自旋阀的核心结构是两边为铁磁层，中间为较厚的非铁磁层构成的GMR 多层膜。
其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为被钉扎层；而另外一层铁磁层的磁矩对小的外加磁场即可响应，为自由层。
由于被钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致GMR 的电阻值改变。
如此，在较低的外磁场下相邻铁磁层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。
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。
最常用的“顶部钉扎自旋阀”（top spin-valve ）的具体结构如图一所示：其中，缓冲层（buffer layer ）,可使镀膜有较佳的晶体成长方向，也称之为种子层。
自由层（free layer ）,由易磁化的软磁材料所构成。
中间夹层反铁磁性铁磁性铁磁性非磁性材料图一 自旋阀（SV ）叠层结构示意图（spacer ）,为非铁磁性材料，目的为于无外加磁场时，让上下两铁磁层无耦合作用。
被钉扎层（pinned layer ）,被固定磁化方向的铁磁性材料。
钉扎层（biasing layer ）,用于固定“被钉扎层”磁化方向的反铁磁性材料。
这种非耦合型自旋阀的优点有：⑴磁电阻变化率对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；⑵饱和场低，灵敏度高。
虽然自旋阀结构的磁电阻变化率不高，通常只有百分之几，但饱和场较低，使磁场灵敏度大大提高；⑶自旋阀结构中铁磁层的磁矩的一致转动，能够有效地克服巴克豪森效应，从而使信噪比提高。
与超晶格GMR 一样，自旋阀磁电阻的来源仍归结于磁性层/非磁性层界面处的自旋相关电子散射。
自旋阀中出现GMR 效应必须满足这样的条件：①传导电子在铁磁层中或在铁磁/非铁磁界面上的散射概率必须是自旋相关的；②传导电子可以来回穿过两铁磁层，并能够记住自己的自旋取向，即自旋平均自由程大于隔离层厚度。
磁隧道结（Magnetic Tunnel Junctions, MTJ ） 非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜即磁性隧道结。
通常，磁性隧道结是由两层纳米磁性金属薄膜（FM ）和它们所夹的一层氧化物绝缘层（I ）所组成的三明治结构（FM/I/FM ），I 的厚度约为1～1.5纳米，如图二所示：这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下,其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。
如果两铁磁电极的磁化方向平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进入另一个电极的少数自旋态的空态。
即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。
如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。
通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可观测到大的隧穿磁电阻(TMR)。
