第三讲 自旋电子学
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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。
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。
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。
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。