自旋壳层结构激光 [兼容模式]
![自旋壳层结构激光 [兼容模式]](https://img.360docs.net/imgbb/1lvjc12lo6pdr5z19llzz9gygdg2aer8-b1.webp)
![自旋壳层结构激光 [兼容模式]](https://img.360docs.net/imgbb/1lvjc12lo6pdr5z19llzz9gygdg2aer8-42.webp)
电子自旋共振 完整版
电子自旋共振 摘要：电子自旋共振是近代物理学的一个重要发现，该现象目前已经被广泛的应用。本文主要介绍基于FD-ESR-C 型微波电子自旋共振实验仪的实验原理、实验装置、实验方法、实验步骤等。 关键词：近代物理实验；微波；电子自旋共振；g 因子； 【1】引言 电子顺磁共振（电子自旋共振）是1944年由前苏联的扎伏伊斯基首先观察到的。它是指电子自旋磁矩在磁场中受到响应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。这种现象在具有未成对自旋磁矩的顺磁物质（即含有未耦电子的化合物）中能够观察到，因此，电子顺磁共振是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用，从而获得有关物质微观结构信息的重要方法。这种方法具有有很高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行细致分析而不破坏样品结构以及对化学反应无干扰等优点。本实验要求观察电子自旋共振现象，测量DPPH 中电子的g 因子。 【2】实验原理 本实验采用含有自由基的有机物“DPPH ”，其分子式为 3226256)()NO H NC N H C ，称为“二苯基苦 酸基联氨”，其结构式如图所示：在第二个氮 原子上存在一个未成对电子——自由基，ESR 就是观测该电子的自旋共振现象。对于这种“自 由电子”没有轨道磁矩，只有自旋磁矩，因此实验中观察到的共振现象为ESR ，也就是电子自旋共振。这里需要指出这种“自由电子”也并不是完全自由的，它的 e g 值为(2.0023±0.0002)，DPPH 的ESR 信号很强，其e g 值常用作测量其值接
近2.00的样品的一个标准信号，通过对各种顺磁物质的共振吸收谱线e g 因子的测量，可以精确测量电子能级的差异，从而获得原子结构的信息。 自由电子的自旋磁矩和外加恒定磁场 B 0相互作用将使基态能级发生分裂 , 2 个能级之间的能量差ΔE 与外加磁场 B 0 的大小成正比: 0B B μ g = E Δ （1） 式中g 的值是Lande 因子或劈裂因子。完全自由电子的 g 值是 2.00232 , 为一个无量纲的常量。he/4πe =μB 是Bohr 磁子。若在垂直于静磁场的方向加一个频率为ν的微波交变磁场 , 当微波频率ν与直流静磁场 B 0 满足关系式： g μ = E Δ =h νB0B （2） 时 , 将有少量处于低能级上的电子从微波磁场吸收能量，跃迁到高能级上去。这种现象称之为电子自旋共振或电子顺磁共振，式 ( 2 ) 称为共振条件 . 由式 ( 2 ) 得到： B /μh =g 0B (3) 可见 g 因子的测量精度决定于微波频率和共振磁场的准确测量。 原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为： （4） 其中S 是电子自旋量子数，S=1/2。 电子的自旋角动量P S 与自旋磁矩S μ间的关系为 （5） 其中：m e 为电子质量；g 的具体表达式为： （6）
原子的壳层能量的计算与电子排布
原子的壳层能量与电子排布 李涛（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆 246011） 指导教师：张青林 摘要：各种元素的化学性质和物理性质的变化，显示出高度的规律性，这实际放映了原子结构的情况。 原子的电子排布并不是杂乱无章而是有规律可循，其遵循最低能量定理，泡利不相容原理以及 洪定则。掌握了这些，对原子的核外电子排布就会有一个清醒的认识。原子壳层能量是随原子 序数而变化的，随着原子序数的增加原子逐一增加的，电子填入支壳层的次序可由经验n+0.7L 描叙，其中n是主量子数，对应于主壳层，L是角动量量子数，对应于支壳层。 关键词：壳层能量，泡利原理，电子排布，轨道能量交错 引言：早在1803年道耳顿根据质量守恒及定比定律提出原子的学说，原子的研究就正式开始，到1912年柯塞尔提出多电子原子中的电子分布主壳层模行，即主量子数相同的电子处于同一主壳层中。对应于n=1，2，3，4…的主壳层分别用K，L，M，N….来表示在同一主壳层中，不同的轨道角量子数1又分成几个不同的分壳层，常用s,p,d,f,…..表示1=0，1，2，3，…的各种转动态。 1原子壳层能量随原子序数的变化 众所周知，随着原子的增加和壳层电子的逐一填充，原子的壳层能量会下降。对此可在电磁学理论基础上做出定性的解释。当一正电荷位于球心并有等量负电荷均匀分布于球壳上时，球内形成一沿径向向外的电场，凡原在球壳内的负电荷都会因这一电场的作用而引起能量的下降。原子序数为Z的原子变为 Z+1的原子时，新加入电子的电荷沿径向和角向按一定几率分布，核新增的单位正电荷和新加入的电子在核外一定范围内形成一类似的附加电场，使有一定几率分布处于该场中的原有电子能量下降。电子处于附加电场中的几率越大和离核越近，则将其移到无穷远时需要更多的功，因而这些电子的能量越低。显见，当考虑库仑相互作用能时，随着原子序数的增加原子的壳层能量下降。 事实上，影响原子的壳层能量的因素很多，除电子的动能外，还有吸引能和其他电子的排斥作用能，自旋相关效应能，相对论效应能和旋一轨相互作用能，要精确计算这些影响是困难的，所以我们仅准备在原子物理学范畴内定性讨论原子的壳层能量随原子序数Z增加的增加而下降的规律。 根据光谱的实验数据总结和计算得出：在不违背泡利原理和最低能量的情况下，随着原子序数的增加，原子逐一增加的电子填入支壳层的次序可由经验则n+0.7L【1】描述，其中n是主量子数，对应于主壳层；L 是角动量量子数，对应支壳层。按该经验规则各支壳层如表1所示。 表1 周期表中元素排列的先后，原子逐一增加电子的次序[2】 电子填 补次序1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d n+0.7L1.0 2.0 2.7 3.0 3.7 4.0 4.4 4.7 5.0 5.4 5.7 6.0 6.1 6.4 6.7 7.0 7.1 7.4 但从X射线表示谱和吸收限的情况【1.2】可知:原子的内支壳层的能量顺序与原子逐一增加电子的能量顺序不同,内支壳层的能量顺序是n越小，能量越低；n相同时，L越小，能量越低。内支壳层能量的高低次序按从小到大排列如表2所示。 随着原子序数的增加和电子的逐一填充，原子的外支壳层逐渐过渡到内支壳层，支壳层能量次序由表1过渡到表2。比较表1和表2的能量次序不难发现，表2中某些n小L大的支壳层能量次序相对于表1
电子自旋
电子的自旋现象及其应用 郭爱文（61010112） （东南大学吴健雄学院，南京市 211100） 摘要：物理课本中主要从相对论的角度对电子自旋理论进行相关阐述与计算，旨在简单地引入近代所发现的较为反常的电子自旋现象。本文立足于课本知识，重点在于探讨电子自旋理论的应用与发展，对课本未提到的后续内容做一些补充说明。 关键词：电子自旋；Stern-Gerlach实验；巨磁阻效应（GMR）；自旋电子学；电子自旋共振； Application notes for electron spin Guo Aiwen (Southeast university, Nanjin 211100) Abstract: To introduce electron spin simply, the author of our class book explained it with calculation based on the theory of relativity. This article mainly focuses on discussing the application and development of electron spin, which can make some additional remarks to our class book. key words: Electron spin; Stern-Gerlach experiment; Giant Magneto Resistance（GMR）; Spintronics; electron spin resonance; 基础物理学教程第二十三章谈到了电子自旋这一概念，书中从假设提出、状态描述、对赛曼效应的影响等方面对电子自旋做了相关的理论分析，重点放在了概念的引入以及相关参数的计算上。而随着时代的发展，自旋电子学这一门新兴的学科在生产生活中得到了越来越重要的体现。对推动科学社会的进步起到了巨大的作用。本文旨在对电子自旋理论的后续应用做出系统的总结归纳，分析这一理论所引申出的两个目前主要的研究方向，并给出笔者自己的理解。 1电子自旋现象 作者简介：郭爱文（1992—），男，东南大学本科生1.1Stern-Gerlach实验 早在1921年，施特恩和格拉赫就制造了一块能在原子尺度这样的小线度内产生很不均匀磁场的磁铁。当他们将基态银原子束通过这个极不均匀的磁场时，发现银原子束被分裂成两束。这与只考虑电子的轨道磁矩所推断出来的原子束经过不均匀磁场后应分裂为奇数束这一结论相矛盾，这说明原子内部不只有轨道磁矩，为电子自旋假说提供了依据。 到了1927年，再用氢原子进行同样的实验时，也观察到了相同的现象。相关实验如下：
90Nb和91Nb的高自旋态结构
第28卷增刊2004年12月 高能物理与核物理 HIGH ENERGY PHYSICS AND NUCLEAR PHYSICS Vol.28,Supp. Dec.,2004 90Nb和91Nb的高自旋态结构? 崔兴柱1,2竺礼华1;1)吴晓光1李广生1温书贤1王治民1贺创业1张振龙1,2孟锐1,2马瑞刚1骆鹏3郑勇3霍俊德2M.M.Ndontchueng4 1(中国原子能科学研究院北京102413) 2(吉林大学物理学院长春130023) 3(中国科学院兰州近代物理研究所兰州730000) 4(Universit′e de Douala,Facult′e de Sciences,B.P.8580Cameroun) 摘要用能量为80MeV的19F束通过反应76Ge(19F,xn)布居了90Nb和91Nb的高自旋态.通过在束测量分析90Nb和91Nb退激射线的符合级联关系,发现了新的属于90Nb和91Nb的跃迁,建立了90Nb和91Nb的高自旋态能级纲图.通过经验壳模型计算指定了部分能级的组态,并结合实验DCO比值和与相邻核素的系统比较,确认了新能级的自旋和宇称. 关键词高自旋态在束伽马谱学能级纲图原子核壳模型组态 1引言 在幻数核附近,由于能态的角动量由核子的角动量耦合形成,没有转动的贡献,核子间的相互作用比较容易研究.中子数N～50区的大量研究[1—4]表明,该核区的核素大多具有球形核结构,一些以88Sr作为核心的壳模型计算[5—10]与实验数据符合得很好. 90Nb的质子数和中子数分别为41和49,分别临近L–S耦合和j–j耦合的闭壳,接近球形核,而91Nb的质子和中子数分别为41和50,中子为闭壳结构.它们具有明显的壳层结构,高自旋态呈现较强的粒子性.在本工作中分别观察到了属于上述两个核的新的γ跃迁.用经验壳模型计算方法,根据邻近核的低能部分提取两体相互作用,计算出部分能级的能量,通过与实验能级能量的比较,确定了部分能级的组态. 2实验和数据分析 本实验采用76Ge(19F,xn)反应来布居90Nb和91Nb的高自旋态.19F束流是由中国原子能科学研究院的HI–13串列加速器提供的,束流能量为80MeV.靶由厚度为2.2mg/cm2的76Ge和10mg/cm2厚的铅衬组成.退激γ射线由15台HPGe-BGO反康谱仪测量(其中5台放置于与束流线为90?的位置,4台放置于44.6?,4台放置于135.4?,其余2台分别放置于54.7?和125.3?)共记录了68×106个二重γ-γ符合事件.通过离线反演生成对称化的Eγ～Eγ两维矩阵.采用Radware软件对该两维矩阵进行γ射线开窗分析,得到各γ射线之间的级联关系,得到的90Nb 和91Nb的部分纲图分别如图1,图2所示.由于本次实验采用了重离子束和较高的能量,C.A.Fields实验[11]中90Nb低能部分的γ射线未在本实验中观测到. 为了确定新观测到的能级的自旋及宇称,还对实验数据进行了DCO(方向角关联)比值分析.首先建立了一个DCO二维Eγ-Eγ矩阵,即以位于与束流方向成90?的探测器探测到的γ射线能量作为二维Eγ-Eγ矩阵的x轴,将其他角度探测器探测到的γ射线能量作为二维Eγ-Eγ矩阵的y轴.根据得到的DCO矩阵就可以提取各γ射线的DCO比值,经过与已知多级性的γ射线的DCO比值的比较,从而得到各条γ射线的多极性[7].DCO比值的定义为 R DCO= Iγ 1 (θ) εγ 1 (θ)εγ 2 (90?) / Iγ 1 (90?) εγ 1 (90?)εγ 2 (θ) ,(1) 其中Iγ 1 (θ)为在二维Eγ-Eγ矩阵的y轴上用γ2射线开窗得到的γ1的计数,γ1(90?)为在x轴上用γ2射 *国家重点基础研究发展规划项目(TG2000077405)和国家自然科学基金(10175090,10105015,10375092)资助1)E-mail:zhulh@https://www.360docs.net/doc/b013397752.html, 27—30
自旋电子学简介
自旋电子学简介 今天，我们一起去听了王博士关于《自旋电子学简介》的讲座，通过这次的讲座，我对自旋电子学有了更加深刻的认识。 在传统的微电子学中,一般是利用电子的荷电性由电场来控制电子的输运过程的,而对电子的自旋状态是不予考虑的.为了能够进一步提高信息处理速度和存储密度,就必须对电子的自旋加以利用,由此发展出一门新的学科———自旋电子学。 自旋电子学(Spintronics or spin electronics)，亦称磁电子学(Magneto—electronics)，是一门结合磁学与微电子学的交叉学科。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。 对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。 半导体自旋电子学器件的目的之一是利电子自旋和核自旋很长的相干时间，并基于半导体器件来执行量子信息处理。用半导体实现量子计算机有很多优点，不仅仅因为它是固体材料，可适合于大规模集成，而且通过量子约束可以自由控制其维度，并允许用外场，如光、电或磁场改变其特性。本节将简介利用半导体中的自旋如何构造固体量子计算机的基本原理。 半导体自旋电子学（spintronics）作为半导体物理发展的新分支，目前主要在两个方面着重展开研究：半导体磁电子学和半导体量子自旋电子学。前者希望在最近的将来会有实际的结果，后者则已成为21世纪的重要研究论题。半导体自旋电子学作为信息处理
第七章 原子的壳层结构 - 71 有两种原子,在基态时其电子壳层是
第七章 原子的壳层结构 7.1 有两种原子，在基态时其电子壳层是这样添充的：（1）n=1壳层、n=2壳层和3s 次壳层都填满，3p 次壳层填了一半。（2）n=1壳层、n=2壳层、n=3壳层及4s、4p、4d 次壳层都填满。试问这是哪两种原子？ 解：每个壳层上能容纳的最多电子数为，每个次壳层上能容纳的最多电子数为。 22n )12(2+l （1）n=1壳层、n=2壳层填满时的电子数为： 10221222=×+×3s 次壳层填满时的电子数为：2)102(2=+× 3p 次壳层填满一半时的电子数为：3)112(22 1=+×× 此种原子共有15个电子，即Z=15，是P(磷)原子。 （2）与（1）同理：n=1,2,3三个壳层填满时的电子数为28个 4s、4p、4d 次壳层都填满的电子数为18个。 所以此中原子共有46个电子，即Z=46，是（钯）原子。 Pd 7.2 原子的3d 次壳层按泡利原理一共可以填多少电子？为什么？ 答：根据泡利原理，在原子中不能有两个电子处在同一状态，即不能有两个 电子具有完全相同的四个量子数。对每一个次壳层,最多可以容纳个电 子。3d 次壳层的，所以3d 次壳层上可以容纳10个电子，而不违背泡利原理。 l ）（122+l 2=l 7.3 原子的S、P、D 项的量子修正值Na 01.0,86.0,35.1=Δ=Δ=ΔD p s 。把谱项表达成2 2 )(n Z R σ?形式，其中Z 是核电荷数。试计算3S、3P、3D 项的σ分别为何值？并说明σ的物理意义。 解：用量子数亏损表征谱项时 形式为 22) (*Δ?=n R n R 用有效电荷表征时 形式为 2 2 22)(*n Z R n RZ σ?= 两种形式等价。令二者相等，则得到 Δ 与 σ 之间的关系 Δ?=?n n Z σ Δ ??=n n Z σ 用 Z = 11 和 n = 3 代入上式得 3S、3P、3D 项的σ值分别为：
自旋电子学与自旋电子器件简述
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。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
量子力学习题第一部分
量子力学习题第一部分 一基本概念: Plank量子论，Bohr量子论，德布罗意关系，Bohr量子化条件，波函数的统计诠释，量子力学基本假设，坐标波函数和动量波函数的关系，不确定关系，定态，守恒量，全同性原理。 二基本实验现象及规律: 黑体辐射，光电效应，Davisson和Germer 实验，正常Zeeman效应，反常Zeeman效应，光谱精细结构，Stark 效应，自旋存在的实验证据，Stern-Gerlach实验，自旋单态，自旋三重态。 三简单证明： 1. 若坐标波函数是归一化的，则动量波函数也是归一化的。 2. 由薛定谔方程证明几率守恒。 3. 证明定态的叠加不是定态。 4. 证明在定态下，任意力学量的平均值不随时间改变。 5. 证明在定态下，任意力学量的测值几率分布不随时间变化。 6. 证明对一维运动，若一函数是薛定谔方程的解，则其复共轭也是 解，且对应于同一能级。 7. 证明对一维束缚态总可以取实函数描述。 8. 证明对于一维定态问题，若粒子处于有限阶梯形方势阱中运动， 则波函数及其一阶导数连续。
9. 证明对于一维运动，若势函数具有反射不变性，则体系有确定的宇称。 10. 证明坐标和动量的对易关系。 11. 证明角动量间的对易关系。 12. 证明坐标和角动量的对易关系。 13. 证明动量和角动量的对易关系。 14. 证明厄米算符的本征值是实数。 15. 证明在任何态下平均值为实数的算符必为厄米算符 16. 证明厄米算符的本征值必为实数。 17. 证明若体系有两个彼此不对易的力学量，则体系的能级一般是简 并的。 18. 证明书中求和规则（两题）。 19. 证明（σ ?A ）(σ ?B ) =B A ?+ i σ ?(B A ?) 20. 证明a 和a + 分别为下降和上升算符，并求它们在占有数表象下的 表示。 四 计算： 1. 设一维运动粒子具有确定动量，验证不确定关系。 2. 设一维运动粒子具有确定位置，验证测不准关系。 3. 设一维运动粒子用gauss 波包描述，验证测不准关系。 4．一维自由运动粒子，求波函数。 5. 粒子处于一维无限深势阱中，求能级和波函数。
自旋电子学研究与进展_詹文山
评述 自旋电子学研究与进展 3 詹 文 山 (中国科学院物理研究所 磁学国家重点实验室 北京 100080) 摘 要 自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支,它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵,在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的输运和自旋电子检测.由于它在信息存储方面的重大应用前景,受到学术界和工业界的高度重视.文章扼要地介绍了自旋电子学发展的历程和发展中的最重要的发现.最近几年,最奇特的发现和最重要的应用莫过于巨磁电阻,薄膜领域纳米技术的迅速发展使巨磁电阻的应用变成可能.作为磁记录头它已使硬磁盘的记录密度提高到170Gbit/in 2.动态随机存储器MRAM 的研究已实现16Mbit 的存储密度. 关键词 自旋电子学,巨磁电阻,磁隧道结,自旋阀 Recent progress i n spi n tron i cs ZHAN W en 2Shan (S tate Key L aboratory forM agnetis m ,Institute of Physics,Chinese acade m y of Sciences,B eijing 100080,China ) Abstract Sp intr onics is a new branch of condensed matter physics devoted t o studies on the manipulation of the s p in degree of freedo m in solids .It involves sp in polarization,s p in dynam ics,s p in trans port,and the detec 2tion of s p in polarized electr ons in metals and sem iconduct ors .Sp intr onics has attracted great attention fr om scien 2tists and manufacturers because of its potential app licati on in infor mati on st orage .A brief review of the develop 2ment of s p intr onics and its most i mportant discoveries will be given .The most exciting event in recent years may be the discovery of the giant magnetoresistance effect in metallic multilayer fil m s and the successful app lication of this effect to infor mation storage .Based on this effect,the magnetic recording density has been increased to 170Gbit /in 2 .A magnet oresistive random access memory of 16Mbit st orage density has als o been developed .These re 2sults clearly demonstrate the i m portance of sp intr onics for infor mati on technology .Keywords Sp intr onics,giant magnet oresistance,magnetic tunnel junctions,s p in valve 3 国家重点基础研究发展计划(批准号:2001CB610600),国家自 然科学基金(批准号:59731010)资助项目 2006-04-04收到初稿,2006-06-02修回 Email:wszhan@aphy .i phy .ac .cn 1 自旋电子学研究的历史回顾 电子具有电荷和自旋两种属性是人所共知的. 电子在电场中运动由于带有电荷而形成电流.导体在磁场中做切割磁力线的运动时,导体中产生电流.反过来,在磁场中的通电导体将产生垂直磁场的运动.从而发明电动机和发电机,成就了一个世纪的文明.在半导体中由于导带中的电子和价带中失去电子形成空穴的输运特性,构成P N 结,1947年发明半 导体晶体管,开创半导体电子学,打开了当代通信和数据处理技术发展的大门,奠定了现代信息社会的基础.所有这些都是基于电子具有电荷的属性.电子在完整晶体的周期性势场中运动是不受阻碍的,因而称为透明的.但是由热引起晶格振动或晶体中的各种缺陷,对电子散射而形成了阻碍.电子不受到散射的平均路程称为平均自由程.在低温下,金属的电
磁性物理学习题与解答
磁性物理学习题与解答 简答题 1.简述洪德法则的内容。 答：针对未满壳层，洪德法则的内容依次为： （1）在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值。 （2）在满足（1）的条件下，总轨道角动量量子数L取最大值。 （3）总轨道量子数J有两种取法：在未满壳层中，电子数少于一半是; 电子数大于一半时 2.简述电子在原子核周围形成壳层结构，需遵循哪些原则法则？ 答：需遵循的原则法则依次为： （1）能量最低原则 （2）泡利不相容原理 （3）洪德法则 3.简述自由电子对物质的磁性，可以有哪些贡献？ 答：可能的贡献有： （1）朗道抗磁 （2）泡利顺磁 4.简述晶体中的局域电子对物质的磁性，可能有哪些贡献？ 答：可能的贡献有： （1）抗磁 （2）顺磁 （3）通过交换作用导致铁磁、反铁磁等 5.在磁性晶体中，为什么过渡元素的电子轨道角动量会被晶场“冻结”，而稀土元素的电子轨道角动量不会被“冻结”。 答：因为过渡元素的磁性来自未满壳层d轨道上的电子，d电子属于外层电子，在晶体中是裸露的，容易受到晶场的影响而被冻结；而稀土元素的磁性来自未满壳层f轨道上的电子，f电子属于内层电子，在晶体中不容易受到晶场的影响，所以不会冻结。 6.简述外斯分子场理论的成就与不足之处。 答：外斯分子场理论的成功之处主要有：唯象解释了自发磁化，成功得到第二类顺磁的居里—外斯定律和铁磁/顺磁相变的居里温度表达式等。 不足之处主要有：（1）低温下自发磁化与温度的关系与自旋波理论的结果差别很 大，后者与实验符合较好; （2）在居里温度附近，自发磁化随温度变化的临界指数，分子场 理论计算结果为1/2，而实验测量结果为1/3; （3）无法解释磁比热贡献在温度大于居里温度时的拖尾现象
自旋电子学(汇编)
自旋电子学 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。 二、自旋电子学的物理学原理和挑战 对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。 尽管对自旋电子学的基本原理和概念的研究非常令人感兴趣，但在人们能够制造出自旋电子学应用器件之前，还有许多障碍需要克服。例如，自旋电子学的一个基本要求是在电子材料中产生和保持大的自旋极化电流到很长的时间。要实现这一点尚需继续努力才能完成。事实上，把足够大的自旋极化电流引入半导体材料也是一个问题。以此类似，对于量子计算，人们要求精密的控制自旋纠缠及利用局域磁场操纵单一自旋。对此，虽然已经提出许多设计方案，但至今尚没有特别好的想法。很清楚的是，对于一个崭新的领域，总是机会与挑战并存。在自旋电子学的应用变成现实之前，确实有大量的基本物理问题需要研究。有关自旋电子学的物理学基础和应用问题的研究现状，有兴趣的读者可以参看最近刚刚发表的一篇极好的评述文章：Zutic′, Fabian, and Das Sarma: Spintronics: Fundamen- tals and applications，Rev. Mod. Phys., 76, 323-410，April 2004。
物理学史10.2 电子自旋概念的提出
10.2电子自旋概念的提出 玻尔理论提出之后，最令人头疼的事情莫过于反常塞曼效应的规律无法解释。1921年，杜宾根大学的朗德（https://www.360docs.net/doc/b013397752.html,ndé）认为，根据反常塞曼效应的实验结果看来，描述电子状态的磁量子数m应该不是m＝l， 心机，提出了种种假说。 1924年，泡利通过计算发现，满壳层的原子实应该具有零角动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起，而与原子实无关。显然价电子的量子论性质具有“二重性”。他写道：① “在一个原子中，决不能有两个或两个以上的同科电子，对它们来说，在外场中它们的所有量子数n、k1、k2、m（或n、k1、m1、m2）都是相等的。如果在原子中出现一个电子，它们的这些量子数（在外场中）都具有确定的数值，那么这个态就说是已被占据了。” 这就是著名的不相容原理。泡利提出电子性质有二重性实际上就是赋予电子以第四个自由度。这个概念再加上不相容原理，已经能够比较满意地解释元素周期表了。所以泡利的思想得到了大多数物理学家的赞许。然而二重性和第四个自由度的物理意义究竟是什么，连泡利自己也说不清楚。 这时有一位来自美国的物理学家克罗尼格（R.L.Kronig），对泡利的思想非常感兴趣。他从模型的角度考虑，认为可以把电子的第四个自由度看成是电子具有固有角动量，电子围绕自己的轴在作自转。根据这个模型，他还作了一番计算，得到的结果竟和用相对论推证所得相符。于是他急切地找泡利讨论，那里想到，克罗尼格的自转模型竟遭到泡利的强烈反对。泡利对克罗尼格说：“你的想法的确很聪明，但是大自然并不喜欢它。”泡利不相信电子会有本征角动量。他早就考虑过绕轴自旋的电子模型，由于电子的表面速度有可能超过光速，违背了相对论，所以必须放弃。更根本的原因是泡利不希望在量子理论中保留任何经典概念。克罗尼格见泡利这样强烈的态度，也就不敢把自己的想法写成论文发表。 半年后，荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生，一个叫乌伦贝克，一个叫高斯密特，在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。他们找埃伦费斯特讨论，埃伦费斯特认为他们的想法非常重要，当然也可能完全错了，建议他们写成论文拿去发表。于是，他们写了一篇只有一页的短文请埃伦费斯特推荐给《自然》杂志。接着他们两人又去找物理学界老前辈洛仑兹请教。洛仑兹热诚地
自旋电子学的综述
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
电子自旋共振
电子自旋共振 电子自旋共振（ESR ）也称为电子顺磁共振（EPR ）。由于这种磁共振现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，所以称电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献，所以又称为电子自旋共振。电子自旋的概念是著名物理学家泡利（Wolfgang Pauli 1900——1958）1924年研究反常塞曼效应时首先提出的，他通过计算发现，满壳层的原子实际应具有零角度的动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起的，而与原子核无关，显然价电子的量子论性质具有“二重性”，接着他提出了著名的泡利不相容原理。1945年泡利因发现泡利不相容原理而获诺贝尔奖。 由于电子自旋磁矩远大于核磁矩，所以电子自旋共振的灵敏度要比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观测到电子自旋共振现象。 电子自旋共振的主要研究对象是化学上的自由基、过度金属离子和稀土元素离子及其化合物、固体中的杂质和缺陷等。通过对电子自旋共振谱图的分析可以得到材料微观结构的许多信息。在化学、医学和生物学方面也有较多应用。 实验目的 1． 在弱磁场（1mT 量级）下观测电子自旋共振现象。测量DPPH 样品的g 因子和共振线宽。 2． 了解电子自旋共振等磁共振实验装置的基本原理和测量方法，熟悉磁共振技术。 实验原理 1． 电子的自旋磁矩 电子的轨道运动磁矩为 l e l P m e v v 2?=μ （1） 其中e 为电子电量，m e 电子质量，为电子轨道的角动量 l P h )1(+=l l P l 其中为角量子数，为约化普朗克常量。因此，电子的轨道磁矩为 l h
B e l l l m e l l μμ)1(2) 1(+=+=h 其中μB 称为玻尔磁子 2241027.92m A m e e B ?×== ?h μ 电子的自旋磁矩为 s e s P m e v v 2?=μ （2） h )1(+=s s P s B e s s s m e s s μμ)1(2)1(+=+=h 其中s 为自旋量子数，自由电子的s = 1/2；P s 为自旋角动量。 二者的合成（LS 耦合）即为单电子原子的总磁矩 j e j P m e g v v 2?=μ （3） 其中g 称为朗德因子 ) 1(2)1()1()1(1212222++++?++=+?+=j j s s l l j j P P P P g j s l j （4） 其中j 为LS 耦合总角动量量子数。 将式（1）、（2）与（3）比较可知，对于单纯轨道运动g = 1。而对于单纯自旋运动 g = 2，精确测量得到g 的公认值，g = 2.0023。 引入旋磁比γ，式（3）可以写成 e j j e j m e g P P m e g 2,2?==?=γγμv v v （5） 在外磁场中，P j 和μj 空间取向都是量子化的。它们在外磁场B 方向的投影为 B z z mg m m P μγμ?===h h , （6） 其中m 为磁量子数，m = j ，j –1，…，–j。
自旋电子学功能材料进展 (1)
自旋电子学功能材料进展3 都有为 (南京大学固体微结构物理国家重点实验室,江苏省纳米技术重点实验室,南京210093) 摘 要:巨磁电阻效应的发现开拓了磁电子学的新学科,20世纪90年代,磁电子学得到迅速的发展,并在应用上取得显著的经济效益与巨大的社会效应,本世纪初,研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向,并已取得重要的进展。本文将结合我们科研组的研究工作,概述从磁电子学到半导体自旋电子学材料的发展,重点介绍稀磁半导体材料研究的进展。 关键词:磁电阻效应 自旋电子学 磁电子学 半导体自旋电子学 稀磁半导体 Progress in Functional Materials for Spintronics3 D U Youw ei (National Laboratory of Solid State Microstructures&,Jiangsu Provincial Lab.for Nanotechnology,Nanjing University,Nanjing21009) Abstract:A new research field of magnetoelectronics has been developed since the discovery of giant magnetoresistance. Magnetoelectronics has developed very rapidly during the90’s of the20th.It has got remarkable economic benefit and huge society results in applications.The semiconductor spintronics has become import new research domain and got very important progress in the first decade of new century.In this paper the development of spintronics from magnetoelec2 tronics to semiconductor spintronics has been introduced briefly emphasis on the dilute magnetic semiconductors also in2 cluded some research works in our group. K ey w ords:magntoresistance,spintronics,magnetoelectronics,semiconductor spintronics,dilute magnetic semiconductors 引言 1988年报道了在(Fe/Cr)多层膜中发现巨磁电阻效应之后,引起了科学界广泛的兴趣与重视,迅速地发展成为一门新兴的学科-磁电子学,磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动,而磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性。多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用。继多层膜磁电阻效应后,颗粒膜、隧道结磁电阻效应以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应相继被发现或取得重大进展,自旋阀的多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低,从而开拓了磁电阻器件的新纪元,高密度的磁记录磁头,磁随机存储器,磁传感器,自旋晶体管等相继问世,并已取得显著的经济效益与巨大的社会效应。20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起,但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性,众所周知,电子不仅具有电荷同时又具有自旋,以往这二个自由度分别在电子学与磁学这2个领域中各显身手,而在磁电子学中这2个自由度同时在固体中被用上了,从物理的角度考虑,增加一个自由度意味着可以增添无数新颖的应用,极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动,导致磁与电在固体内部有机结合的新器件的诞生。为了在微电子器件中实现磁控的目的,必须将极化自旋注入到半导体中,近年来在这方面从材料到结构进行了多方面的探索工作,取得了一定的进展,这是从磁电子学向半导体自旋电子学发展的重要的趋势,尽管离实用还相当远,但其应用前景十分诱人,已成为国际研究的热点。自旋电子学应当包括磁电子学与半导体自旋电子学二个方面,自旋电子学中所涉及到产生自旋极化的纳米结构材料是一类新型的功能材料,这是自旋电子学重要的材料基础。从 第28卷2006年8月 第4期 1-6页 世界科技研究与发展 WOR LD SCI2TECH R&D Vol.28 Aug.2006 No.4 pp.1-6 3基金项目:973项目“纳米材料和纳米结构”(G1999064508)国家自然科学基金资助项目(10374044)。