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第17卷 第2期物 理 学 进 展V o l.17,N o.2 1997年 6月 PRO GR ESS I N PH YS I CS June.,1997 磁电子学中的若干问题蔡建旺 赵见高 詹文山 沈保根(中国科学院物理研究所&凝聚态物理中心磁学国家重点实验室 北京 100080)提 要本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容;全面总结了铁磁金属的磁电阻效应(AM R)、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应(G M R)、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应(C M R)以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应(TM R)研究中具有代表性的实验结果及理论模型;简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器(M RAM)和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。
一、引 言电子既是电荷的负载体,同时又是自旋的负载体。
以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴(即多数载流子和少数载流子)的输运特性为主要内容的微电子学是二十世纪人类最伟大的创造之一。
众所周知,在这里自旋状态是不予考虑的,电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制。
人类是否可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程?回答是肯定的,它正是磁学研究的最新前沿—磁电子学所要研究的主要内容。
我们知道,在铁磁金属中,由于交换劈裂,费密面处自旋向上与自旋向下的电子态密度不等,因而自旋向上电子载流子数与自旋向下电子载流子数是不等的,故在电场的推动下,铁磁金属中的传导电子流必定是自旋极化的。
事实上,七十年代初有人通过超导体特殊的能带结构,利用“超导体 非磁绝缘体 铁磁金属”隧道结检测出穿越绝缘体势垒的隧道电子流是自旋极化的电子流[1,2]。
此外,也正是由于铁磁金属在费密面处自旋向上与自旋向下的电子态密度不等,它们对不同自旋取向的电子的散射也不一样[3,4]。
今天,人们还认识到,来自铁磁金属的自旋极化的电子流在其进入非磁性金属后,由于非磁金属中大多数的电子散射并不引起自旋的翻转,因而在相当长的自旋弛豫时间内或者说在相当大的自旋扩散长度范围内(室温下,为微米数量级),其自旋方向将保持不变[5—8]。
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。
自旋电子学是近些年来在半导体电子学和磁电子学基础上发展起来的一门新兴交叉学科。
丰富的物理内涵、明确的应用目标以及广阔的市场前景,自旋电子学已成为当今凝聚态物理和材料科学领域最为关注的方向之一。
其中,巨磁电阻的发现及在自旋器件上的应用是最有重大影响力的成果。
非易失性存储器和高密度磁存储器的诞生,不仅给基础研究注入了活力,更为市场带来了巨大的经济效益。
巨磁电阻研究的关键在于如何获得更为实用的低场室温磁电阻效应。
具有高自旋极化率的半金属材料,如掺杂锰氧化物,CrO2,Fe3O4等成为研究者的首选。
无论是提高半金属材料的内禀磁电阻,还是外禀磁电阻,都有着极大的研究和应用潜力。
研究表明,半金属颗粒复合体中,颗粒边界对低场磁电阻产生和增强有重要作用,调节颗粒边界势垒已成为颗粒体系中磁电阻增强的有效实验途径。
此外,掺杂锰氧化物中,3d/4d/5d 过渡族金属氧化物材料日益受到人们的关注。
在这类新型的磁电阻氧化物中,4d或5d金属离子较3d金属离子具有宽的d轨道和电子巡游特性,d电子与氧的2p电子存在较强的杂化作用。
自旋,轨道和晶格间的相互耦合,引起材料中大的电、磁响应以及巨磁电阻等丰富物理现象,为磁电阻材料研究范围的拓宽以及强关联电子体系中物理性质的探讨提供了新的实验依据。
另一方面,磁致冷技术的飞速发展使得凝聚态物理工作者越来越关注磁性材料的磁热效应。
传统的气体制冷存在众多的缺点,相比之下,磁制冷具有熵密度高、体积小、噪音小、无污染、高效低耗等独特优势。
磁制冷研究的关键在于获得室温附近大的磁热效应。
传统的金属钆（Gd）以及近年来报道的Gd5(Ge1-x Si x)4和La(Fe13-x Si x)等合金都是具有大磁熵变的磁性材料。
然而,这些材料中稀有金属的昂贵,化学性质的不稳定,居里温度单一,磁滞与热滞现象严重等因素,使得磁制冷技术的应用步履维艰。
值得注意的是,具有庞磁电阻的掺杂锰氧化物同样表现出了大的磁熵变效应,这一发现大大拓宽了磁制冷工质的研究范畴。
磁化反转机制
磁化反转机制是指在不需要外加磁场的情况下，通过注入自旋极化电流来改变铁磁层的磁化方向的过程。
具体来说，磁化反转机制涉及到的物理现象是电流感应的磁化翻转。
在这个过程中，自旋极化电流（即电流中的电子自旋方向有一个特定的偏好）被注入到铁磁层中。
由于自旋极化电流携带的自旋角动量可以与铁磁层中的磁性原子相互作用，这种作用能够改变铁磁层中磁性原子的自旋排列，从而使得铁磁层的整体磁化方向发生改变，甚至发生翻转。
这种现象在磁电子学领域非常重要，因为它是磁性随机存取存储器（MRAM）等自旋电子学设备工作的物理基础。
磁化反转机制的研究对于理解和设计新型的磁性存储和逻辑器件具有重要意义，因为它提供了一种无需外部磁场即可操控磁性状态的方法，这对于实现更高密度、更低功耗的磁性数据存储设备至关重要。
磁电子学和磁观测磁电子学和磁观测是当代物理学领域中非常重要的研究方向。
磁电子学主要研究的是固体材料中的磁性电子行为，而磁观测则是通过观测自然界中的磁现象来研究物质的性质和变化。
1. 磁电子学的基础磁电子学的基础就是关于磁性电子的物理机制。
在物理学中，电子是最基本的带电粒子，它们在磁场中会受到洛伦兹力的作用。
当物质中的电子自旋方向相同并且具有相同的能量时，它们就会形成一个磁矩，从而产生磁性。
在实际应用中，人们可以通过在物质中施加一个外磁场的方式来控制电子的自旋方向，从而实现对材料的磁性进行控制。
这种通过磁场来控制物质性质的技术被称为磁控制技术。
2. 磁电子学的应用磁电子学的应用非常广泛，其中最为典型的例子就是计算机和手机中的磁存储设备。
在这些设备中，利用磁性材料作为储存介质，可以实现数据的快速存储和读取。
此外，在航空航天领域，磁电子学还被用于制造感应电动机和自动驾驶系统等。
除了上述应用外，在能源领域和医学领域也涌现出了很多新的磁性材料和设备。
例如，通过应用磁电子学的技术，人们可以制造出高效的磁浮列车，也可以发展出清晰的磁共振成像设备，这些技术将会对人类社会的发展产生重要的影响。
3. 磁观测的意义磁观测则是通过观测自然界中的磁现象来研究物质的性质和变化。
例如，在地球表面的磁场中，可以观测到一些奇特的现象，从而了解地球内部和外部的环境变化。
此外，人们还可以借助磁观测技术研究太阳风、宇宙辐射等现象，有助于对宇宙演化和宇宙起源等问题进行深入探讨。
在科学研究中，磁观测也被广泛应用于材料研究和生物医学等领域。
例如，使用超导量子干涉仪可以测量出磁性材料中具有纳米尺度的磁偶极矩，对相关的物理学机制进行深入探究。
同时，人们也可以利用磁共振技术对生物体的结构和功能进行研究。
总之，磁电子学和磁观测在现代科学中发挥着非常重要的作用，对人类社会的发展产生着深远的影响。
随着科技的不断进步，磁电子学和磁观测技术将会发展出更广泛和更深入的应用。
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课程编号：5030132
磁电子学(Magnetoelectronics)
开课学院：材料科学与工程学院
总学时：32
学分：2
先修课程：固体物理，量子力学
教学目的：本课程教学对象为磁电子学领域的硕士或博士研究生，目的是让研究生初步了解磁电子学的根本理论、开展现状与应用背景。
考核方式：专题报告
课程主要内容：
第1章导论〔6学时〕
包括磁电子学的根本概念、巨磁电阻效应与高温超导电性间的关联与渗透、半导体磁电子学、关于莫尔定律的讨论等等。
第2章巨磁电阻(GMR)效应〔7学时〕
包括磁电阻和电子输运与磁性的关联效应、巨磁电阻的发现与其主要实验现象、多层膜巨磁电阻效应材料的开展、CPP模式下的巨磁电阻效应、颗粒体系的巨磁电阻等。
第3章巨磁电阻效应的机理与影响因素〔6学时〕
包括层间耦合效应的唯象描述和耦合类型与强度确实定、自发磁化的能带模型与自旋相关散射、多层膜GMR的唯象理论——双电流模型、CPP-GMR的理论模型等。
第4章自旋阀和隧道巨磁电阻效应〔6学时〕
包括自旋阀效应的发现与其工作原理、交换各向异性的机理、隧道巨磁电阻效应。
第5章磁电子学的应用〔7学时〕
包括巨磁感应效应与其应用、巨磁电阻传感器、磁记录读出磁头、磁电阻随机存取存储器、自旋晶体管和量子计算机等。
参考书目：
焦正宽，《磁电子学》，某某大学，2006.6.
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夏柯磁子学磁子学（Magnetronics）是一门研究磁性材料的电子学科。
它是磁电子学（Spintronics）的一部分，旨在利用磁性材料的自旋操控电子的性质来开发新型的电子器件和信息存储技术。
夏柯（Magneto）是该学科的先驱者之一，他于20世纪60年代首次提出了磁子学的概念。
磁子学是在电子学领域的一个新兴研究方向，它将磁性材料的特性与电子学相结合。
一般而言，电子学研究的是电荷的运动，而磁子学则关注电子的自旋。
自旋是电子特有的量子性质，它类似于一个微小的磁偶极子，可以看作是电子围绕自身旋转的角动量。
在磁性材料中，电子的自旋可以与材料的磁性相互作用，从而影响电子的运动轨道，进而影响电子的输运性质。
磁子学的一个重要应用是在信息存储领域，特别是磁性存储器。
传统的磁性存储器使用磁性颗粒来存储信息，通过改变颗粒的磁化方向来表示0和1。
然而，这种存储方式的致命缺点是颗粒的体积越小，其磁化方向越容易受到外界磁场的干扰，导致信息的丢失。
磁子学通过利用磁性材料中的自旋操控电子的特性，可以实现非易失性存储器，即信息存储在材料的自旋态中，无论是否有外界磁场的干扰，信息都能够得到保持。
除了信息存储，磁子学还有其他诸多应用。
例如，利用磁性材料的自旋依赖性质可以实现电子的极化控制，从而用于设计新型的自旋电子器件。
这些器件可以在电子的自旋量子态之间进行转换，实现自旋转换器件、自旋滤波器件等，进一步拓展了电子学的应用领域。
磁子学还可以与其他学科相结合，形成多学科交叉的领域。
例如，磁子光学（Magneto-optics）是磁子学与光学的交叉研究领域，研究磁性材料对于光的传播和光学性质的影响。
夏柯也在磁子光学领域做出了重要的贡献，他提出了磁光克尔效应（Magneto-optical Kerr effect），这是磁性材料表面发生的磁光效应。
总而言之，磁子学作为磁性材料的新兴研究领域，利用磁性材料的自旋操控电子的特性，开发了新型的电子器件和信息存储技术。
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。
