第6章_自旋电子学_1
物理学中的电子自旋
物理学中的电子自旋电子在物理学研究中扮演着重要的角色，而电子自旋则是电子的一个特殊属性，对于电子自旋的研究与应用具有重要意义。
本文将介绍电子自旋的概念、性质以及在实际应用中的重要作用。
一、电子自旋的概念与性质电子自旋是描述电子特性的量子数之一，表示电子围绕自身轴旋转的角动量。
电子自旋值可以取正值或负值，且其单位是普朗克常数的一半。
根据量子力学的理论，电子自旋只能取两个值，即“自旋向上”和“自旋向下”。
电子自旋的正负值代表了电子旋转方向的不同，而自旋向上和自旋向下则分别表示电子自旋在自旋量子数z方向上的投影为正和负。
通过自旋量子数的表示，我们可以区分具有不同自旋方向的电子。
电子自旋还具有与空间角动量垂直且大小固定的特性，这使得电子自旋在许多领域的研究和应用中具有重要价值。
二、电子自旋的研究与应用1. 量子力学与自旋理论量子力学中的自旋理论为我们深入了解电子自旋的性质和行为提供了基础。
通过研究自旋态和自旋概率密度，我们可以更好地理解电子在原子和分子中的行为，以及它们对于化学反应和物质性质的影响。
2. 磁性材料与磁存储技术电子自旋直接与磁性材料和磁存储技术相关。
在磁记录中，例如硬盘驱动器和磁带，信息是通过读写头产生磁场来写入或读取的，而读写头中的电子自旋在此过程中起着关键作用。
研究电子自旋和磁性材料之间的相互作用，有助于提高磁存储技术的性能和稳定性。
3. 电子自旋共振电子自旋共振是通过外部磁场作用下，使电子自旋状态发生变化的一种技术。
它被广泛应用于核磁共振成像（MRI）中，用于观测和诊断人体组织和器官的结构和功能。
电子自旋共振在医学、生物学和材料科学领域有着重要的应用和研究价值。
4. 自旋电子学自旋电子学是一种新兴的领域，利用电子自旋操控和传输信息。
与传统的电子学不同，自旋电子学在信息处理和存储中利用电子自旋来替代电荷。
这一领域的发展有望在信息技术中带来更高的速度、更低的功耗和更大的容量。
5. 自旋量子计算自旋量子计算是以电子自旋状态作为计算基本单元的一种量子计算方法。
自旋电子学的基本原理与应用
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
众所周知，电子具有两个重要的内禀属性，即电荷和自旋。现代微电子技术只利用了电子的电荷属性而没有考虑电子的自旋特性。实际上，人们早在20世纪20年代就发现了电子的自旋特性，但直到发现材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的巨磁电阻效应并用自旋相关散射和双电流模型来解释之后，人们开始认识到电子自旋的应用价值。对电子自旋的研究成为当今研究的一个热点课题，并逐渐形成了一个新的研ห้องสมุดไป่ตู้领域即自旋电子学（spintronics）。自旋电子学中电子的自旋取代电子电荷作为信息储存和传输的载体。电子的自旋态具有较长的驰豫时间，更不容易被杂质或缺陷的散射破坏，而且自旋态也容易通过调节外部的磁场来进行控制。人们正期待着利用电子自旋自由度来设计运行速度更高、能量消耗更低、功能多、高集成的下一代微电子器件。这种器件抛弃了电子的经典特性，转而利用了电子的量子特性，因而原则上将允许电子器件的尺寸进一步大大的减小，从而进入纳米尺度的范围即量级，成为介观物理的重要组成部分之一。
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。 ~2UmX'
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。 ;nb>IL
磁性材料的自旋电子学
磁性材料的自旋电子学自旋电子学是一门研究自旋与电子相互作用的学科，它在磁性材料的研究中扮演着重要的角色。
磁性材料是一类具有自发磁化特性的材料，它们可以通过外加磁场使其自旋有序排列，从而改变其电子的输运性质。
本文将从自旋电子学的基本概念入手，探讨磁性材料在该领域中的应用和研究进展。
一、自旋电子学的基本概念自旋电子学是自旋和电子之间相互作用的研究领域，在该领域中，自旋被认为是电子的一个内禀属性，类似于电荷。
自旋可以理解为电子围绕自身轴心旋转而产生的磁矩，它决定着电子在磁场中的相互作用和运动方式。
在自旋电子学中，通过调控自旋的状态，可以控制电子的自旋输运和磁性行为，从而实现新型电子器件的设计和应用。
二、磁性材料由于其自发磁化的特性，成为自旋电子学研究中的重要对象。
这些材料中的电子自旋可以通过外加磁场、电场或光激发等方式进行控制。
其中一种常见的磁性材料是铁磁体，它具有较高的自旋极化率和磁滞回线特性。
通过调控铁磁体中的自旋，可以实现快速的磁性翻转，从而提高数据存储和处理的速度和密度。
除了铁磁体，自旋电子学还涉及到其他类型的磁性材料，例如反铁磁体和拓扑绝缘体。
反铁磁体具有相邻原子自旋方向相反的特点，对电子自旋的调控有着独特的应用。
拓扑绝缘体则是一种特殊的材料，其表面存在特殊的拓扑结构，导致自旋与电子的耦合产生新奇的现象，例如自旋电荷分离和自旋霍尔效应。
三、自旋电子学的应用自旋电子学的研究不仅仅局限于基础物理理论，还涉及到许多重要应用。
其中之一是自旋电子学器件的设计与制备。
通过结合磁性材料和半导体材料的特性，可以制备出自旋二极管、自旋场效应晶体管等新型电子器件，这些器件具有快速响应和低功耗的特点，可以在信息存储、传感器等领域得到广泛应用。
另外，磁性材料在磁存储领域中也起着重要作用。
自旋电子学的发展使得磁存储器件的存储密度不断提高，并且能够实现单个磁位的读写操作。
这为大容量、高速度的数据存储提供了可能，为信息技术的进一步发展提供了强有力的支持。
第六章电子自旋
⃗ ·S ⃗ ，⃗ ⃗ 等项。因为电子的自旋是其内禀属性，与轨道部分无直接关系，在不考虑 一般，H 需要包含B r·S 自旋轨道耦合作用时，我们可以作变量分离，令 ψ (⃗ r, Sz ) = ϕ (⃗ r) χ (Sz ) a b 于Sz = /2的几率，|b| 表示处于Sz = − /2的几率，归一化要求|a| + |b| = 1。 3
0 1
2
1 0 0 −1
)
(1 0) − 0 0 0 1 1 0 0 0 ) )
(0 1) =
(0 1) =
(1 0) =
Chapter VI
在二次量子化以后， |+⟩ =⇒ c+ i↑ 因此 ni S
+ + = c+ i↑ ci↑ + ci↓ ci↓
6.1 电 子自 旋 态 矢 量
S-G 实验清楚地告诉我们电子自旋z 方向的分量只有两个值，ms = ±1/2，可以用量子数Sz = ± /2来标注， 因此描述电子波函数应当写成二分量的形式 ψ (⃗ r, /2) ψ (⃗ r, − /2)
Ψ (⃗ r , Sz ) = 是一个旋量(spinor )波函数。
a b a b
a b
=λ
−1/2 λ
=0
λ =
1 1 1/2, a = b =⇒ χ′ + = √ 2 1 ⟩ 1 1 −1/2, a = −b =⇒ χ′ − = √ 2 −1 ⟩
( 2 ) 1 Example：在 S , Sz 表象中，有一个自旋向上的电子 → χ+ ，求测量Sx 的值和几率。 0 测量Sx 的值只能是sx = ± /2， 几率： χ′ + |χ+ ⟨ ⟨ ⟩
量子力学 6-1 电子自旋的实验证据
6-1 电子自旋的实验证据
第六章 电子自旋 全888—1969），
1888年2月17日出生于德国。1906年开 始学习物理化学，1912年在布雷斯劳大 学获博士学位。同年他到布拉格当爱因 斯坦的助手，以后又随爱因斯坦转到苏 黎世，1913年成为物理化学私人讲师。 1943年诺贝尔物理学奖授予斯特恩，表 彰他发展分子束方法和发现了质子的磁矩。
M sz e Sz
7
S
自旋回旋磁比率：
6-1 电子自旋的实验证据
第六章 电子自旋 全同粒子 能级排列
注意
此节重点
(1)理解电子自旋是一种纯粹的量子力学效应，没有经 典图象与之对应。（不是电子自转之类的空间运动）
(2)验证电子自旋存在的实验是斯特恩—盖拉赫实验 (3)每个电子具有自旋角动量 向的取值只能有两个 S z 。 2
1922年，他和合作，成功地做了斯特恩-盖 拉赫实验，通过这个著名实验，他们用分 子束方法证明了空间量子化的真实性，并 为进一步测定质子之类的亚原子粒子的磁 矩奠定了基础。
2
6-1 电子自旋的实验证据
第六章 电子自旋 全同粒子 能级排列
格拉赫（Walther Gerlach）
1889出生于德国. 1912年于图宾根大学获得物理学博士学位。 他的研究对象是黑体辐射和光电效应。一战期间, 盖拉赫和 维恩一起发展无线电报技术。在工业界呆了一段时间后, 盖 拉赫于1920年在法兰克福的实验物理研究所谋到了一个助手 的位置, 该所紧捱着玻恩的理论物理所。后来和斯特恩合作 完成了斯特恩-盖拉赫实验. 3
6-1 电子自旋的实验证据
第六章 电子自旋 全同粒子 能级排列
从薛定谔方程出发可以解释许多微观现象，例如计 算谐振子和氢原子的能级从而得出它们的谱线频率 等。计算结果在相当精确的范围内与实验符合。
自旋电子学导论
3.8 相分离 ……………………………………………………………50 3.9 层状锰氧化物性质 ………………………………………………54 3.10 锰氧化物理论研究 ……………………………………………59
§4 钴氧化物的磁性和输运性质 ……………………………67
4.1 钴氧化物 CMR 效应的发现 ……………………………………67 4.2 晶体结构 …………………………………………………………68 4.3 电子结构与自旋态 ………………………………………………68 4.3 磁性和输运行为 …………………………………………………70
图 1－2 Fe/Cr 多层膜在 T＝4.2 K 时的磁电阻磁场关系。测量电流和磁场方向 都沿着层面（110）轴。[12]
克服反铁磁层间耦合而使相邻 Fe 层磁矩方向平行排列，而此时电流方向平行于
4
膜面的电阻率下降至不加外磁场（即相邻 Fe 层磁化矢量反平行排列）时的一半， 磁电阻值 MR（%）=Δρ/ρHs=(ρ0-ρHs)/ ρHs 高达 100%，其值较人们所熟知的 FeNi 合金各向异性磁电阻效应约大一个量级，故命名为巨磁电阻效应（GMR），如图 1－2 所示。更新的结果表明（Fe/Cr）超晶格的磁电阻效应在低温 1.5K 甚至还可 以更高至 220% [13]。GMR 是否是单晶（Fe/Cr）超晶格所独具的特性？此后不 久 Parkin 等人发现用较简单的溅射方法制备的多晶 Fe/Cr/Fe 三层膜和（Fe/Cr） 多层膜同样有巨磁电阻效应 [14，15]，其中后者在室温和低温 4.2K 的 GMR 值 分别为 25%和 110%。在随后的几年中，以 Parkin 为杰出代表的世界各国物理学 工作者发现在各种铁磁层（Fe，Ni，Co 及其合金）和非磁层（包括 3d、4d 以 及 5d 非磁金属）交替生长而构成的磁性多层膜中，许多都具有巨磁电阻效应[16 －19]，其中尤以多晶（Co/Cu）多层膜的磁电阻效应最为突出，在低温 4.2K 和 室温时的 GMR 值分别为 130%和 70%，所加饱和磁场约为 10kOe [20，21]。 （Co/Cu）多层膜室温的 GMR 远大于多晶（Fe/Cr）多层膜的值，也大于大多数 由铁磁合金和非磁元素组成的多层膜的值，仅在一定 Fe 含量的（CoFe/Cu）多 层膜中，其磁电阻值比（Co/Cu）多层膜的有所增加 [22]。
电子的自旋算符与自旋波函数
e 2c
可见电子回转磁比率是轨道 回转磁比率的二倍
§2 电子的自旋算符和自旋波函数
（一）自旋算符 （二）含自旋的状态波函数 （三）自旋算符的矩阵表示与 Pauli 矩阵 （四）含自旋波函数的归一化和几率密度 （五）自旋波函数 （六）力学量平均值
（一）自旋算符
•自旋角动量是纯量子概念，它不可能用经典力学来解释。 •自旋角动量也是一个力学量，但是它和其他力学量有着根本的差别 通常的力学量都可以表 示为坐标和动量的函数
ˆ) ˆ ˆ F F (r , p
而自旋角动量则与电子的坐标和动量无关，它是电子内部状态 的表征，是描写电子状态的第四个自由度（第四个变量）。 与其他力学量一样，自旋角动量 也是用一个算 符描写，记为 ˆ
S
自旋角动量 轨道角动量
与坐标、动量无关 同是角动量
ˆ r p
不适用
异同点
1 s 2
自旋量子数 s 只有一个数值
（二）含自旋的状态波函数
因为自旋是电子内部运动自由度，所以描写电子运动除了用 (x, y, z) 三个坐标变量外，还需要一个自旋变量 (SZ），于是电 子的含自旋的波函数需写为： ( x ,y , z , S , t ) ( r t ) ( x ,y ,z , ,t ) z 1 , 2 ( r ,t ) ( x ,y ,z , ,t ) 2 2 由于 SZ 只取 ±/2 两个值，
x y
由于自旋角动量在空间任意方向上的投影只能取 ±/2 两个值 所以
ˆ S x
ˆ S y
ˆ S z
的本征值都是±/2，其平方为[/2]2
3 2 2 2 2 2 ˆ ˆ ˆ ˆ S S S S x y z 4
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GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度 下， Co/Cr 淀积系统 GMR比率 随着铬(Cr) 间隔层厚度 变化 (from S.S. Parkin et al [21]).
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GMR现象及解释
• 巨磁阻材料
材料与结构
– 除了最初的Fe/Cr材料的多层结构，多晶 Co/Cu材料多层膜有更好的性能 – 多种材料结构中都发现了巨磁阻现象
GMR现象及解释
膜厚的影响
Co/Cu结构系统中GMR比率随着铜层厚度而变化
(from S.S. Parkin et al [22]). XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度下， Co/Ru 系统中 GMR比率随 着 钌（Ru） 间隔层的厚度 而变化 (S.S. Parkin et al ).
Magnetic field (kG)
GMR
=
R AP − R P RP
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巨磁阻发现
效应
• 两 个 研 究 团 队 分 別 在 4.2K 温 度 和 室 温 下，对各自研制的磁性多层薄膜系统磁 电阻予以测量。 • 费尔教授在 4.2K 的低溫，在(Fe/Cr)n， n = 60系统中测量得到50% 磁阻变化。 • 格林贝格尔教授則在室溫下，测量 Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大約1.5% 的 磁 阻 变 化 ， 随 后 又 在 低 溫 下 Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系統中测得约 10% 的磁 阻变化率。
磁耦合振荡
长周期振荡
S. S. P. Parkinet. al. PRL 64, 2304 (1990).
短周期振荡 周期～2个原子单层（约0.3纳米） 周期～3个原子单层（约0.45纳米）
MLJ. Unguriset. al. PRL 67, 140 (1991). S. T. Purcell et. al. PRL 67, 903 (1991). Z. Q. Qiu et. al. PRL 68, 1398 XIDIAN506LAB (1992).
Peter Grünberg
适当中介层厚度，相邻铁磁层磁化方向相反，形成反铁磁序 (AF)，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。 XIDIAN506LAB
巨磁阻发现
磁多层结构
• 这种结构由被非磁隔离层(NM-layers)分 开的薄铁磁层(FM-layers)组成 • 非磁隔离层的存在使得相邻铁磁层存在 交换耦合作用，即它们磁化方向处于反 平行状态（AF）。 • 这种耦合作用可以用Ruderman-KittelKasuya-Yoshida (RKKY) 模型解释 • 外磁场H克服层间耦合可使所有磁层的 磁化方向从反铁磁模式 (AF-mode) 同时 转换为平向方向，即铁磁模式 (F-mode)
Configuration P
CPP巨磁阻机制
M NM M
Configuration AP
M NM M
+
+ ri r ri ri r ri Ri R Ri
ri r ri
Ri R Ri R
Ri R Ri
Ri R it: R low
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GMR现象及解释
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巨磁阻发现
磁阻
• 几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场中物 质的附加磁阻（W. Thomson 于1857年发现） ，即 ρ ( H ) − ρ ( 0) MR = ρ ( 0) • 磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关，ρ依赖于 磁化M方向与电流I之间的夹角ϕ •ρ (ϕ) ~ ρ (90º)+Δρ cos2ϕ •Δρ/ρ ~ 2% •各向异性
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自旋阀（Spin valve）
• 所谓自旋阀是人为施加外磁场实现相邻磁层磁 序变化，而获得巨磁阻。 • 通过外磁场改变矫顽力较低磁层的磁化方向 • 只需要很低的外磁场驱动就可以实现磁层间磁 序改变，以制作高灵敏的器件，
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磁隧道结的研究
• 1995年Miyazaki 等发现了明 显的室温隧穿磁电阻 （TMR）效应，重新唤起研 究磁隧道结的兴趣。 • 已经提出几种基于TMR的磁 随机存储器原型 (Parkin, 1999; Tehrani, 2000)。 • 下一代读出磁头（read head）预计将采用MTJ代替 CIP 巨磁阻。
• 巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合 在一起
– 从而诞生了磁电子学和自旋电子学
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引言
磁电子学与自旋电子学
• 本章研究内容：什么是巨磁阻效应？ • 巨磁阻产生机理与条件、巨磁阻效应的应用 • 即， 磁电子学和自旋电子学
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目录
• • • • • • • • 引言 巨磁阻效应的发现 磁电子学 自旋极化输运 自旋电子学内涵 磁性半导体 自旋极化 自旋电子学器件及应用
• 巨磁阻结构
– 除了连续型多层膜（CML）外，还研究了 – 自旋阀（SV），隧道型多层膜，非连续型 多层膜，图形多层膜（PML），多层膜线和 单层膜GMR
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目录
• • • • • • • • 引言 巨磁阻现象的发现 磁电子学 自旋极化输运 自旋电子学内涵 磁性半导体 自旋极化 自旋电子学器件及应用
Albert Fert
彼得·格林贝格尔
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巨磁阻发现
GMR可达 100％以上
磁超晶格结构
• 后来的研究中，巨磁阻越来越显著。
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GMR现象及解释
CIP与CPP
• 磁多层超晶格结构中巨磁阻效应电流传输的两种方式： • CIP—电流平行于平面（Current In the Plane）（1988） • CPP—电流垂直于平面（Current perpendicular to the Plane）（1991，Pratt ）
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磁隧道结
d: nm V
F1
I
F2
CoFe / Al2O3 / Co
Transmission probability :
T∝e
− α d 2m * V h2
• 铁磁－绝缘体－铁磁隧道结
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磁隧道结
历史
• 1974, M. Julliere (a graduate student)发表实验文章 报道Fe/Ge/Fe 三层结构中 14% TMR 。提出一个简 单模型 (the paper became a sleeping giant). • 1982, IBM 报道在Ni/AlO/Ni 测到 2% TMR. • 1995, Moodera (MIT) and Miyazaki (Japan) 报道在 Co/AlO/Co 中测到 10% TMR . • 1998, DARPA launched MRAM solicitation • 1999, Motorola’s 128kB MRAM demo • 2003, IBM, Motolora, 4Mb MRAM chip demo • More than 10 startup MRAM companies formed. • MRAM becomes internationally recognized future technology
– 其中两种被称为磁自旋阀（spinvalve effect）GMR结构
自旋阀多层膜的基本结 构：铁磁（固定或钉 扎）层／非磁层，铁磁 （自由）层／反铁磁 （偏场）层组成 XIDIAN506LAB
自旋阀工作原理
• 两个铁磁层被较厚的非磁（如Cu）层隔开，致 使铁磁层间退耦合。 • 由于非磁层的屏蔽作用，自由铁磁层可以在较 弱的磁场作用下改变磁化方向，与固定铁磁层 磁化方向平行或反平行。 • 固定铁磁层的磁化方向受到相邻反铁磁层交换 耦合作用磁化方向被钉扎。 • 外磁场影响自由磁化层的磁化方向，使其与固 定磁化层磁化方向平行或反平行，产生低磁阻 和高磁阻。
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磁电子学
• 1995年，GMR的研究发展成为一门新型的学 科---磁电子学(Magnetoelectronics) • 主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的 组合的磁阻效应实现器件和电路功能，例如： – – – – 自旋阀传感器 计算机硬盘驱动器的读磁头 非挥发磁随机存储器 (MRAM), 电路隔离器（circuit isolators）
铁磁体的性质
• 材料的磁效应产生自电 子自旋和轨道运动
– 安培环流假设 – 交换、耦合作用能决定材 料磁性
XIDIAN506LAB 原子间距离／原子半径
巨磁阻发现
哪些元素具有磁性
XIDIAN506LAB
巨磁阻发现 巨磁阻发现
铁磁晶体
铁磁晶体
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巨磁阻发现
磁阻
• 磁阻——由磁性引起的附加电阻 • 一百多年以前便知道外加磁场可改变电阻值的 大小 • 在非磁性金属中磁阻产生的原因是 Lorentz 力 • 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spinorbital 耦合引起的，也就是各向异性磁阻。 • 然而這些電阻的變化一般較小，因此其應用價 值也較有限，主要是作一些簡單感應器。
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巨磁阻发现
物质的磁性
• 人类很早就发现了物质的磁性 • 物质磁性起源于系统基态磁矩的 有序排列
简单铁磁体
简单反铁磁体
亚铁磁体
倾斜反铁磁体
螺旋状自旋阵列
XIDIAN506LAB 铁磁体能带
巨磁阻发现
• 铁磁体中存在磁畴，磁 畴存在的关键证据是：
– – – – – 存在饱和磁滞回线 高的介电常数 热电性（Pyroelectric） 压电性（piezoelectric） 剩余磁化