自旋轨道作用的介观环的电导率

摘要实现高速，高密度，低功耗的非易失性磁存储是自旋电子学的重点研究方向。

近年来，利用自旋轨道转矩翻转具有垂直易磁化的磁性超薄膜实现信息写入的研究引起了广泛的关注。

目前利用自旋轨道转矩翻转单层铁磁薄膜，由于铁磁材料固有的杂散场，并且翻转需要的临界电流密度在106A/cm2及以上，不利于实现高密度低功耗存储。

人工反铁磁兼具铁磁材料易操控以及反铁磁材料零的杂散场，高的热稳定性，快的磁化动力学等特点，用其替代铁磁材料，有望推动高速，高密度，低功耗磁存储的发展。

本文基于CoFeB/Ta/CoFeB垂直易磁化体系，研究了自旋轨道转矩翻转人工反铁磁，并研究了Ta的厚度变化对于体系翻转所需要的临界电流密度的影响。

实验中制备了同时具有垂直易磁化和层间反铁磁耦合的CoFeB/Ta/CoFeB人工反铁磁结构。

利用重金属Ta自旋霍尔效应产生的自旋流注入到相邻的两层CoFeB中，对CoFeB磁矩产生自旋轨道转矩效应，实现在两层CoFeB磁矩在两个反平行态之间的翻转，翻转临界电流密度为 2.44×107A/cm2。

通过求解Stoner-Wohlfarth模型和Landau-Lifshitz-Gilbert方程，解释了观察到的两层CoFeB磁矩在两个反平行态之间翻转的现象。

实验中制备了上层CoFeB具有强的垂直易磁化和下层CoFeB具有较弱的垂直易磁化的CoFeB的CoFeB/Ta/CoFeB体系，通过调整Ta层的厚度，我们观察到了Ta厚度为3nm时2.1×105A/cm2的临界翻转电流密度。

通过输运测试和磁性表征，揭示了低的临界翻转电流密度的原因是Ta为3nm的样品具有低的矫顽力和磁各向异性。

自旋轨道力矩翻转人工反铁磁为高密度磁存储提供了一个可能的途径。

105A/cm2的临界翻转电流密度进一步降低了自旋轨道转矩的功耗，有望推动磁存储在低功耗方面的发展。

关键词：自旋轨道转矩；人工反铁磁；垂直易磁化；临界翻转电流密度AbstractInvestigating non-volatile magnetic storage with high speed, high density and low power consumption is one of the most important research areas of spintronics. Recently, utilizing spin-orbit torque (SOT) to switch perpendicularly magnetized single layer and realize writing information has drawn extensive attention. However, the stray field of ferromagnetic materials and the critical current density, which is at least 106 A/cm2, for SOT induced magnetization switching impede the implement of high density and low power consumption magnetic storage. Synthetic antiferromagnets (SAF) are easily to be manipulated like ferromagnets and have zero stray field, high thermal stability and fast magnetic dynamics like antiferromagnets. Replacing ferromagnetic materials by SAF is expected to promote the development of high speed, high density and low power consumption magnetic storage. Based on CoFeB/Ta/CoFeB systems with perpendicular magnetic anisotropy (PMA), we study the spin-orbit torque switching SAF and the Ta thickness dependence of the critical current density for SOT switching.We deposited SAF CoFeB/Ta/CoFeB heterostructure with PMA and interlayer antiferromagnetic coupling. The spin current generated by the spin Hall effect of tantalum would diffuse up and down into adjacent CoFeB layers and exert SOT on the magnetic moment of CoFeB. Consequently, the magnetization could be switched between two antiparallel states with a critical current density of 2.44×107A/cm2 and these phenomenon can be well replicated by solving Stoner-Wohlfarth model and Landau-Lifshitz-Gilbert equation.We deposited CoFeB/Ta/CoFeB systems with strong PMA of upper CoFeB layer and relatively weak PMA of lower CoFeB layer. By varying the Ta thickness, we found the critical current density for SOT switching could be reduced to 2.1×105A/cm2for samples with Ta thickness of 3nm. Through transportation measurements and magnetization characterization, we found that the reason for this low critical current density is that samples with Ta thickness of 3nm have relative low coercivity and anisotropy.SOT switching SAFs might advance the high density magnetic memories. Critical current density of 105A/cm2 for SOT switching would promote magnetic storage with lower consumption.Key words:spin-orbit torque; synthetic antiferromagnet; perpendicular magnetization; critical current density目录第1章引言 (1)1.1 自旋电子学简介 (2)1.1.1 自旋电子学的形成与发展 (2)1.1.2 垂直磁化体系与反常霍尔效应 (3)1.2 自旋轨道转矩 (5)1.2.1 自旋转移力矩与自旋轨道转矩 (5)1.2.2 Stoner-Wohlfarth模型和Landau-Lifshitz-Gilbert方程 (8)1.3 人工反铁磁 (8)1.4 研究思路及内容 (10)第2章实验方法 (11)2.1 薄膜样品制备 (11)2.1.1 磁控溅射 (11)2.1.2 电子束蒸镀 (12)2.2 霍尔器件加工 (12)2.2.1 紫外曝光 (13)2.2.2 氩离子刻蚀 (14)2.3 性能测试 (16)2.3.1 超导量子干涉仪 (16)2.3.2 电输运性能测试 (16)第3章自旋轨道转矩翻转CoFeB/Ta/CoFeB人工反铁磁 (18)3.1 CoFeB/Ta/CoFeB人工反铁磁结构的制备和磁性表征 (18)3.2 自旋轨道转矩翻转CoFeB/Ta/CoFeB人工反铁磁 (20)3.3 Stoner-Wohlfarth模型模拟 (22)3.4 Landau-Lifshitz-Gilbert方程模拟 (25)3.5 本章小结 (30)第4章 105A/cm2量级临界翻转电流密度的自旋轨道转矩翻转 (31)4.1 MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO器件的制备以及SOT翻转 (31)4.2 矫顽力和各向异性场对临界翻转电流密度的影响 (36)4.5 本章小结 (38)第5章结论 (39)参考文献 (40)致谢 (46)声明 (47)个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 (48)第1章引言信息时代每天会产生大量的信息，如何实现高速度，低功耗，高密度的信息存储是科学家们长期追求的目标。

超导体的自旋三重态超导性研究超导体的自旋三重态超导性是一个备受关注的研究领域。

自旋三重态超导性指的是在超导材料中，电子的自旋以三重态的形式结合，从而形成超导态。

这种超导性的研究对于解决能源危机和实现高效能源转化具有重要意义。

本文将对超导体的自旋三重态超导性进行综述。

一、超导体的基础知识超导体是一种在极低温下，电阻突然消失且磁场被完全排斥的物质。

超导体的研究可以追溯到1911年荷兰物理学家海克·卡末林·奥尼斯发现了水银在低温下的超导性。

迄今为止，人们已经发现了许多不同类型的超导体，包括传统超导体、低温铁基超导体和高温铜氧化物超导体等。

二、自旋三重态超导性的原理在超导材料中，电子的自旋可以以两种形式存在：自旋单态和自旋三重态。

自旋单态是指两个电子的自旋方向相反，自旋三重态是指两个电子的自旋方向相同。

在传统超导体中，电子的自旋以自旋单态的形式结合，而在自旋三重态超导体中，电子的自旋以自旋三重态的形式结合。

研究表明，自旋三重态超导体具有更高的超导转变温度和更强的磁场耐受性。

三、自旋三重态超导性的研究方法目前，研究人员主要使用实验和理论两种方法来研究自旋三重态超导性。

实验方法包括磁化率、热容、电阻率和超导体的磁场响应等测量技术。

理论方法包括利用数值计算和理论模型分析超导体的能带结构、费米面形状和电子之间的相互作用等。

四、自旋三重态超导体的应用自旋三重态超导体具有许多潜在的应用领域。

首先，自旋三重态超导体可以用于制备更高转变温度的超导体材料，从而提高能源传输的效率。

其次，自旋三重态超导体对磁场具有更好的抗干扰能力，可以用于制备高磁场强度的磁体。

此外，自旋三重态超导体还可以应用于量子计算、量子通信和量子传感等领域。

五、自旋三重态超导性的挑战和展望尽管自旋三重态超导性在理论和实验研究中取得了一些重要的进展，但仍存在一些挑战。

首先，制备高质量的自旋三重态超导体样品是一个难题。

其次，研究自旋三重态超导性的机制仍然存在许多争议。

自旋隧穿效应（Spin Tunneling Effect）是量子力学中的一种现象，尤其在磁性材料和纳米器件的研究中具有重要意义。

当一个粒子（通常是电子）试图穿越势垒时，经典物理下如果其动能不足以克服势垒高度，则通常认为粒子无法通过。

然而，在量子力学框架下，由于波函数的特性，即使粒子的能量低于势垒，仍有一定概率穿过势垒，这种现象称为隧穿效应。

自旋隧穿效应则是指带有自旋的粒子（如电子）在穿越势垒过程中，其隧穿概率受到自旋状态的影响。

具体来说，对于两个磁性层之间存在非零磁矩差的情况，电子的隧穿概率不仅取决于其动能，还与其自旋取向有关。

若电子的自旋方向与目标层的磁矩方向“对齐”（平行），则隧穿概率相对较高；若自旋方向“反向”（反平行），隧穿概率则较低。

这一效应是自旋电子学的基础，应用于自旋电子器件如磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）中，这些器件利用自旋隧穿效应实现了高效率的信息存储和传输，广泛用于硬盘驱动器读头、磁随机存取存储器（MRAM）等现代信息技术领域。

绪论1.什么是层展现象？物质结构可以划分为一系列的层次，每一不同的聚集层次，都会展现出全新的物理性质，由不同的物理规律支配。

2.什么是固体物理的范式？各种波在周期结构中波的传播，具有能带、能隙。

3.什么是凝聚态物理的范式？1）多体问题中对称性破缺占据中心地位。

2）复杂性来源来源于对称破缺性，产生有序相，最终导致了层展现象。

第一部分4.什么是对称性和对称操作？什么是对称破缺？对称性破缺和相变的关系是什么？1)对称性：物质结构在某些坐标变换下具有不变性。

2)对称操作：对操作对象的一个坐标变换。

3)对称破缺：原对称相中某一对称元素的突然丧失对称性发生相变，导致低对称性相的出现。

4)对称性破缺和相变的关系：对称性破缺意味着有序向的产生。

5.什么是点群？什么是空间群？1)点群：以某一固定点为中心，描述有限物体的对称性，排除平移对称操作。

2)空间群：晶体结构中有230种不同的组合即空间群。

6.什么是晶格？什么是格矢？什么是倒格矢？什么是基矢？1)晶格：表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。

2)格失：以某一点为坐标原点，在任一格点的位置可由从原点指向该点的失量表示。

3)倒格矢：到空间中倒格点的位置失量。

4)正格失：傅立叶变换。

5)基矢：以某一格点在三个方向上最小平移距离为模的失量。

7.什么是液晶态？液晶态有哪些种类及其特点。

1)液晶态：一些晶态结构的物质受热熔融或被溶剂溶解之后变成具有流动性的液体，其分子位置无序，分子取向长程有序，物理性质各项异性。

2)按获得方法分类特点：热致液晶：将有机物溶解在溶剂中获得。

溶致液晶：将熔融物体降温冷却获得。

按对称性分类特点：向列相：分子沿特定方向排列，长程有序。

胆甾相：分子排列成层状，相邻层分子平行分布。

近晶相：棒状分子平行排列成层状结构。

8.什么是过冷液体？什么是非晶？玻璃化转变的实质是什么？简单描述非晶态的理论模型。

1)过冷液体：液体冷却到熔点时，不会立刻凝固或结晶，而是以液体的形态存在于熔点之下。

旋轨耦合效应简介旋轨耦合效应（spin-orbit coupling）是一种描述自旋和轨道之间相互作用的物理效应。

在量子力学中，自旋和轨道角动量是两个基本的物理概念。

自旋是粒子固有的性质，类似于一个内禀的自旋矢量，而轨道角动量则是粒子在空间中运动所带来的性质。

旋轨耦合效应描述了自旋和轨道之间的相互作用，从而影响了能级结构和电子行为。

背景知识在经典物理学中，自旋被认为是不存在的，只有轨道角动量。

然而，在20世纪初的实验中发现了一些无法用经典物理学解释的现象，比如斯特恩-格拉赫实验和塞曼效应。

这些实验表明，粒子具有一个额外的内禀性质，即自旋。

自旋可以看作是粒子围绕其自身轴心旋转产生的磁矩。

与电荷运动产生的磁场不同，自旋磁矩是由粒子本身固有属性决定的。

自旋磁矩与轨道运动磁矩相互作用，就产生了旋轨耦合效应。

量子力学中的旋轨耦合在量子力学中，粒子的自旋和轨道角动量可以用算符来描述。

自旋算符通常用Pauli矩阵表示，而轨道角动量算符则对应于角动量算符。

旋轨耦合效应可以通过考虑自旋-磁场相互作用来理解。

当粒子处于一个外加磁场中时，自旋会与这个磁场相互作用。

这种相互作用可以通过施加一个哈密顿算符来描述。

这个哈密顿算符包含了自旋和轨道角动量之间的相互作用项。

在实际的物理系统中，旋轨耦合可以具有不同的形式，取决于体系的对称性和粒子的性质。

最常见的形式是通过斯塔克效应引入的线性或二次项耦合。

应用旋轨耦合在凝聚态物理和原子物理中具有广泛应用。

它对于解释和预测材料的电子结构、能带结构以及电子行为起着重要作用。

在凝聚态物理中，旋轨耦合可以导致一些有趣的现象，比如自旋霍尔效应和拓扑绝缘体。

自旋霍尔效应是一种电流只在材料表面流动的现象，其背后的原理就是旋轨耦合。

拓扑绝缘体则是一类具有特殊表面态的材料，其性质也与旋轨耦合有关。

在原子物理中，旋轨耦合对于解释和研究原子能级结构、光谱学以及原子钟等都起着关键作用。

在光谱学中，旋轨耦合可以解释一些奇异的光谱现象，如Zeeman效应和Paschen-Back效应。

金自旋-轨道耦合全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金自旋-轨道耦合是一种量子力学现象，它描述了电子的自旋与轨道运动之间的相互作用。

自旋是电子的一个基本性质，类似于电子围绕自身旋转的旋转运动，而轨道则是电子在原子核周围的运动轨迹。

金自旋-轨道耦合的概念在凝聚态物理学中起着重要作用，它影响了材料的电子结构、磁性和光学性质。

自旋与轨道耦合是一种微妙的相互作用，它导致了许多有趣的现象。

在晶体中，金自旋-轨道耦合可以导致磁性状况的变化，使一些材料呈现出不寻常的磁性行为。

一些金属氧化物如铁铟铟氧化物（FeIn2O4）和铁铟钇氧化物（Fe2Ir2O7）表现出了自旋轨道耦合导致的新奇磁性行为。

这些材料不仅在基础物理研究中具有重要意义，还可能应用于新型磁性存储器件和量子计算机。

除了磁性之外，金自旋-轨道耦合还影响了材料的光学性质。

在一些金属氧化物中，自旋轨道耦合可以导致电子带结构的改变，从而影响材料的光学吸收谱。

这种现象被称为自旋轨道耦合引起的光学吸收增强效应，已经在某些光学器件中得到应用。

可以通过控制自旋轨道耦合来调节半导体材料的光学性能，从而实现光电器件的高效率。

在凝聚态物理学领域，金自旋-轨道耦合也被广泛研究。

研究人员通过理论计算和实验手段来探索自旋与轨道之间的相互作用，以便更好地理解材料的性质并开发新的应用。

通过深入研究金自旋-轨道耦合的机制，科学家们希望能够设计出更先进、更功能性的材料，为未来的科技发展做出贡献。

第二篇示例：金自旋-轨道耦合是一种量子力学中的重要耦合效应，它描述了自旋运动和轨道运动之间的相互作用。

在实际的材料系统中，金自旋-轨道耦合常常会导致一些令人惊奇的物理现象，例如拓扑绝缘体、量子自旋涨落等等。

本文将介绍金自旋-轨道耦合的基本概念和物理效应，以及其在现代物理研究中的重要性。

让我们来了解一下自旋和轨道这两个概念。

自旋是粒子固有的性质，它类似于物体围绕自身轴旋转的运动，但实际上它是一种纯粹的量子效应。

自旋能斯特效应
自旋能斯特效应（Spin-Hall Effect）是指在晶格中存在自旋轨道耦合和自旋轨道杂质散射时，电子的自旋和动量之间会发生耦合，导致电子在外加电场的作用下会发生弯曲运动。

该效应是自旋轨道耦合在自旋电子输运中的重要表现之一。

自旋能斯特效应可以通过将自旋和动量耦合考虑在量子力学中的薛定谔方程中进行推导。

根据薛定谔方程，自旋轨道耦合可以被表示为一个额外的矢量势场，称为自旋轨道矢量势。

当电子自旋和动量耦合时，自旋轨道矢量势对电子的运动产生额外的影响，导致电子在外加电场的作用下会发生弯曲运动。

自旋能斯特效应在纳米材料和自旋电子学中具有重要的应用价值。

通过调控材料的晶格结构和掺杂杂质，可以控制自旋能斯特效应的强度和方向，从而实现自旋电子的操控和调控。

利用自旋能斯特效应，可以实现自旋转换，即将自旋电子的自旋转换为动量，进而用于实现自旋电子器件的控制和操作。

然而，自旋能斯特效应的研究和应用仍面临着一些挑战。

其中之一是减小杂质散射对自旋能斯特效应的影响，以提高效应的强度和稳定性。

另外，理解自旋能斯特效应的微观机制和量子力学性质也是一个研究热点，为进一步推动自旋电子学的发展提供理论基础。

1999年全国优秀博士学位论文名单（按学科排列）
一级学科名称学校名称论文题目作者姓名导师姓名
总体性与乌托邦——人本主义马克思主义总体范畴批
哲学中国人民大学
张康之陈先达
判
应用经济学中国人民大学经济发展中金融的贡献与效率王广谦黄达
法学中国人民大学论合理使用——关于著作权限制与反限制的研究吴汉东赵中孚政治学华中师范大学中国农村村民自治：制度与运作徐勇李会滨民族学中央民族大学论清朝对西藏地方的治理苏发祥王辅仁教育学北京师范大学论教育学的文化性格石中英黄济
心理学北京师范大学信息加工速度发展的研究沃建中林崇德中国语言文学南开大学李贽与晚明文学思想左东岭罗宗强
中国社会科学院研究生
《昭明文选》研究傅刚曹道衡中国语言文学
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中国语言文学北京大学汉语变调构词研究孙玉文郭锡良外国语言文学黑龙江大学俄汉语称名单位的民族文化语义对比研究吴国华李锡胤艺术学清华大学中国工艺美学思想史杭间田自秉
宝音德力
历史学内蒙古大学十五世纪前后蒙古政局、部落诸问题研究
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历史学北京大学清代学人的幕府生涯及学术活动尚小明刘桂生历史学中国人民大学灾害、环境与民国乡村社会夏明方李文海
中国社会科学院研究生
历史学
帛书《周易》与古代学术邢文李学勤院
数学复旦大学复Ｇrassmann流形中的极小曲面黎镇琦胡和生数学复旦大学可积系统的广义Lax代数,r-矩阵及代数几何解乔志军谷超豪数学北京大学随机删失模型中的渐近理论王启华郑忠国
二进小波变换、吴方法及其在图象处理和计算机视觉中
数学北京大学
许传祥石青云
的应用。

相场方法模拟研究的奔跑者作者：暂无来源：《科学中国人》 2015年第9期本刊记者刘贺相场方法起源于朗道的相变理论，是一种基于体系自由能计算的动力学方法，上个世纪中期曾被用于固体中扩散，Spinodal分解等过程的计算。

80年代初，Khachaturyan发展了微弹性理论，使相场方法可用于涉及弹性变形的实际体系中。

通过陈龙庆等人在90年代早期的计算机模拟工作，人们逐渐认识到了它在工程模拟方面的优势。

它可以模拟相变过程，对模拟非均匀体系中畴或微观组织的形成和演化过程以及材料在非均匀体系中的物理性质十分有效。

近年来，相场方法在材料计算模拟方面正越来越受到重视，有望发展成可用于材料和器件工程设计的计算机模拟手段。

10多年来，北京科技大学物理系马星桥教授在相场模拟领域不断进取，主持和参与了多项国家级项目，并取得了丰硕成果。

他长期工作在物理教学的第一线，并曾主管物理系的教学工作，使物理课的教学改革和课程体系建设获得显著进步。

2011年，马星桥开始担任北京科技大学物理系系主任，他积极投入到物理系的学科建设、教学改革和国家工科物理教学基地建设中。

以物理系教师为主，申报“北京市弱磁检测与应用工程中心”获得批准，组织承办了“2012多次度材料模拟计算国际研讨会”，与中国科学院半导体所合作，成立了“黄昆班”，联合培养半导体领域的高端人才，使物理系有了新的发展。

面向未来，马星桥教授希望在相场方法模拟，特别是磁电介质相场计算领域有着更大的突破。

同时，在教育教学及学科建设方面继续做出成就。

为国家培养出更多的优秀人才。

漫漫求索路1977年的冬天，中断了十年的中国高考制度终于得以恢复，成千上万的人重拾求学之梦。

虽是严寒冬季，可在这些人心里，已燃起熊熊大火。

马星桥就是其中的一员，他如愿考上了北京钢铁学院（现北京科技大学）物理专业。

从此，开启了物理探索之旅。

经过十年“文革”，高校急缺教师，纷纷兴办师资班。

马星桥成为了北京钢铁学院物理师资班的一员，1982年毕业后，他留校任教。