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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。
电子自旋与自旋电子学的物理基础自旋是描述电子的一种量子性质，它是电子固有的角动量，类似于物体的自转。
自旋在电子学领域起着至关重要的作用，特别是在自旋电子学中。
本文将介绍电子自旋及其与自旋电子学的物理基础。
一、电子自旋的基本概念与性质电子自旋是描述电子的一种内禀角动量，它没有经典物理学的对应物。
电子的自旋取值为1/2或-1/2，表示两个相反的自旋状态，分别称为自旋“上”态和自旋“下”态。
自旋“上”态用符号↑表示，自旋“下”态用符号↓表示。
电子自旋与电子的轨道运动是相互独立的，即电子可以具有不同的自旋态，而处于相同轨道。
这意味着一个能级最多可以容纳两个电子，分别处于上自旋态和下自旋态。
这就是著名的泡利不相容原理，否定了多个电子同时处于相同状态的可能性。
二、自旋电子学的基本思想自旋电子学是利用电子的自旋来操控和传输信息的一种新兴领域。
自旋电子学的基本思想是通过利用电子自旋的两个状态来表示信息的“0”和“1”。
与传统的电子学（即利用电子的电荷来传输信息）相比，自旋电子学具有更低的能耗和更高的速度。
在自旋电子学中，常用的一种方法是通过磁性材料来实现对自旋的操控，这种材料被称为磁性隧道结。
磁性隧道结由两层磁性材料之间夹着一层非磁性材料组成。
当施加适当的电压时，电子可以在磁性材料之间通过隧道效应进行转移，从而实现对自旋的操控。
三、自旋传输与自旋扭曲效应自旋传输是自旋电子学中的关键技术之一。
在自旋传输中，电子的自旋信息在材料中的输运过程中得以保持。
这与传统的电子输运不同，传统电子输运中，电子受到碰撞等因素的影响，自旋信息很容易被破坏。
自旋传输的实现离不开自旋扭曲效应。
自旋扭曲效应是指由于材料中存在非均匀磁场或自旋轨道耦合等因素，导致电子的自旋在空间中发生扭曲。
这种自旋扭曲可以用来操控和传输自旋信息。
四、应用与展望自旋电子学具有广泛的应用前景。
一方面，它可以用于构建更快、更低功耗的电子器件，如自旋晶体管、自旋存储器等，以满足现代信息技术对高性能电子器件的需求。
自旋电子学的基本原理与应用自旋电子学是一门新兴的领域，它在电子学领域的研究与应用中正扮演着越来越重要的角色。
自旋电子学与传统电子学不同，传统电子学主要研究电子的电荷性质，而自旋电子学则关注电子的自旋性质。
本文将介绍自旋电子学的基本原理和一些相关的应用。
一、自旋电子学的基本原理自旋是电子的一种内部属性，类似于电子的“旋转”。
自旋的方向可以是上自旋或下自旋，分别用符号↑和↓表示。
自旋电子学的基本原理就是利用电子的自旋来进行信息传输和处理。
在自旋电子学中，一个重要的概念是“自旋转移”。
自旋转移是指自旋可以传递给其他自旋或被其他自旋传递的现象。
通过自旋转移，我们可以将自旋信息传递给其他电子或相邻的材料。
二、自旋电子学的应用自旋电子学的应用非常广泛，下面将介绍一些主要的应用。
1. 磁性存储器由于自旋可以被控制和读取，自旋电子学被广泛用于磁性存储器的研发和生产。
传统的硬盘驱动器和闪存存储器都是基于电荷存储的，而自旋存储器可以提供更高的存储密度和更快的读写速度。
2. 自旋振荡器自旋振荡器是一种利用自旋的预旋转来产生稳定振荡的器件。
自旋振荡器具有低功耗、小尺寸和高频率的特点，广泛应用于无线通信、雷达和声纳等领域。
3. 量子计算自旋电子学在量子计算领域也有广泛的应用。
通过将自旋作为量子比特，可以实现更快速、更稳定的量子计算。
自旋的长寿命和相对较强的耦合性质使其成为量子计算中的重要组成部分。
4. 自旋电子输运自旋电子输运是指用自旋来传递电荷和信息的过程。
自旋电子输运不仅能够提供更快的速度和更低的能耗，还可以实现自旋过滤、自旋操控和自旋转换等功能。
这些功能对于新型电子器件的设计和开发具有重要意义。
5. 自旋谷电子学自旋谷电子学是通过控制电子的自旋和谷自由度来实现新型电子器件的研究领域。
自旋谷电子学可以带来更强的自旋-轨道耦合效应和更多的自由度，从而增加了电子器件的灵活性和性能。
总结：自旋电子学作为一门新兴的学科，正在逐渐改变我们的科技世界。
