自旋电子学研究进展磁学会议
自旋电子学的发展及其应用
自旋电子学的发展及其应用自旋电子学是一种新兴的研究领域，它涉及到自旋在电子学中的应用。
自旋电子学的发展可以追溯到20世纪60年代，当时科学家发现自旋可以在半导体中传递电信号。
然而，这个领域的真正飞跃是在21世纪初，随着新型材料和技术的发展，自旋电子学开始迎来了蓬勃的发展。
本文将从自旋电子学的基础原理、材料和技术发展、以及自旋电子学在实际应用中的优势等方面，详细介绍自旋电子学的发展及其应用。
一、自旋电子学的基础原理自旋电子学是基于自旋的量子属性，研究自旋在材料中的行为和特性，包括自旋的产生、传输、控制和检测。
自旋是电子的一种固有属性，可以看作是电子围绕自身旋转的一种特殊运动状态。
自旋有两种可能的取向，即上自旋和下自旋。
在外磁场的作用下，上自旋和下自旋的能量不同，因此可以通过磁场来控制自旋的取向。
二、自旋电子学的材料和技术发展随着自旋电子学的不断发展，研究人员已经发现了一些材料，这些材料具有优异的自旋特性，例如：铁磁性材料、半导体材料、自旋霍尔效应材料等。
在技术方面，研究人员已经发明了一些新的技术，例如：磁隧道结构技术、磁电阻技术、磁性记忆技术等，这些技术为自旋电子学的发展提供了有力的支持。
三、自旋电子学的应用自旋电子学已经被广泛应用于电子学和信息技术领域，具有广泛的应用前景。
下面列举了一些自旋电子学的应用：磁性存储器：磁性存储器是自旋电子学应用的一种重要形式，它可以实现高速读写、高密度存储和低功耗等优点。
自旋电子器件：自旋电子器件是利用自旋电子学的原理设计的器件，它具有高速、低功耗、稳定性好等特点，可以应用于处理器、存储器和通信设备等领域。
自旋电子输运：自旋电子输运是指利用自旋电子学的原理，设计实现一些新型的电子器件和传感器，用于探测、测量和传输电信号，例如自旋电荷泵、自旋输运晶体管等。
自旋电子学在量子计算中的应用：量子计算是一种全新的计算方式，自旋电子学中的自旋量子位可以用来存储量子信息，实现量子计算。
稀土材料中的磁性与自旋电子学研究
稀土材料中的磁性与自旋电子学研究稀土材料一直以来都是材料科学中备受关注的领域之一。
它们具有独特的磁性和电子结构，对于磁性材料与自旋电子学的研究有着重要的意义。
本文将探讨稀土材料中的磁性和自旋电子学相关的研究进展。
一、稀土材料的基本特性稀土元素指的是周期表中的镧系元素，包括镧、铈、钕、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和镧后的混合元素。
这些元素在材料中表现出特殊的电子结构和磁性质，使得稀土材料在磁性材料和自旋电子学研究中具有独特的地位。
稀土材料的磁性来源于它们特殊的电子排布和自旋-轨道耦合效应。
在稀土离子中，电子排布在不同的能级上，形成了复杂的能带结构。
这些特殊的电子结构导致了稀土材料的磁性行为的复杂性。
稀土材料中的自旋-轨道耦合效应是其磁性来源的关键因素之一。
自旋-轨道耦合是指电子自旋与轨道运动之间的相互作用。
在稀土材料中，由于电子轨道运动不同，它们的自旋-轨道耦合强度也不同。
这种自旋-轨道耦合可以改变电子的自旋方向和轨道分布，从而影响到磁性行为。
二、稀土材料中的磁性调控稀土材料中的磁性调控是相对较为复杂的过程。
磁性调控可以通过控制外界条件（如温度、压力等）、材料组成和微结构等方面来实现。
1. 温度调控在稀土材料中，磁性随温度的变化呈现出不同的行为。
通过改变温度可以调控材料的相变和磁性转变。
例如，铁磁性材料在一定温度下会发生顺磁相变或反铁磁相变。
2. 压力调控稀土材料的磁性行为也可以通过施加压力进行调控。
压力可以改变稀土材料的晶格结构和能带结构，从而影响到磁性行为。
一些稀土材料在高压下表现出磁性相变或者多铁性。
3. 材料组成和微结构调控稀土材料的磁性行为还可以通过调控材料的组成和微结构来实现。
例如，通过引入不同的掺杂元素，改变稀土材料的组分，可以调控材料的磁性。
此外，通过控制稀土材料的晶粒大小和界面结构等微结构参数，也可以实现磁性的调控。
三、稀土材料中的自旋电子学研究自旋电子学是利用电子的自旋进行信息处理和存储的一门新兴学科。
自旋电子学中的一些新进展
自旋电子学中的一些新进展近年来，自旋电子学这个领域受到了越来越多的关注。
自旋电子学的基础是电子的自旋，既可以作为电子自由度的扩展，也可以作为一种新的信息储存和传输方式。
自旋电子学应用在磁学、半导体、量子信息等领域，为这些领域的发展带来了新的契机。
在这篇文章中，我们来探讨一些自旋电子学的新进展。
一、磁化反转的动力学过程磁电子学是自旋电子学的一个重要应用领域。
磁性材料在外加磁场的作用下会发生磁化反转，这个过程是由磁矩朝着外加磁场方向旋转的。
磁化反转的动力学过程是很复杂的，近年来，科学家们通过自旋动力学模拟来研究磁化反转的过程。
他们发现，在磁化反转的过程中，磁矩会先发生预转动，然后才会开始实际的翻转。
预转动是在磁矩和外场方向之间产生的能垒被扫除之后发生的。
磁矩的预转动对于磁矩翻转的速度和磁矩的能量耗散起到了重要的作用。
二、新型材料的设计金属自旋电子学是自旋电子学的另一个重要应用领域。
与传统的半导体相比，金属自旋电子学的一个优点是电子的动力学时间比较短，因此，可以获得更高的操作速度。
研究人员们设计了一种新型的平面磁化存储器。
这种存储器的设计基于铁、铬和铂三种金属的叠层结构。
这个结构具有极高的磁性，可以在高温下稳定工作，还具有很高的热稳定性。
三、注入自旋的研究自旋注入是自旋电子学中的一个非常重要的领域。
自旋注入是将自旋电子引入材料中，从而实现新型电子元器件和存储器等的制造。
近年来，研究人员们在自旋注入的研究中做出了一定的进展。
他们提出了一种新的自旋注入机制，即在光场中引入电场。
这种机制可以增强电子和光子之间的耦合，从而实现更高效的注入。
四、磁性材料的快速交换磁性材料的快速交换是实现自旋电子学应用中的一个重要问题。
近年来，科学家们发现了一种新型的磁性材料，在这种材料中，磁矢的快速交换比在普通磁性材料中要快得多。
这种材料的优势在于，可以用来制造能够更快地进行翻转的磁性存储器和转换器。
五、量子自旋交叉的研究量子自旋交叉是自旋电子学中一个新的领域。
作为单分子磁体的分子自旋电子研究进展
单分子磁体与分子自旋电子材料Single-Molecule Magnets and Materials of MolecularSpintronics姜国民陈婷婷史传国江国庆*石玉军*南通大学化学化工学院摘要：近年来，自旋电子和分子电子两个新颖学科在电子学研究中取得了革命性的进展。
这两个领域的基础桥梁是分子磁材料，尤其是单分子磁体。
分子自旋电子是在分子水平上对电子自旋和电荷进行研究，电子装置中包括一个或多个磁性分子，如分子自旋晶体管、分子自旋电子管和分子多量子点装置等。
建立在分子水平上的自旋电子磁材料，在信息储存和量子计算等方面上具有潜在的应用价值。
本文结合自己在这方面的研究和理解，介绍了作为磁性分子的单分子磁体在自旋电子器件研究中的最新成果。
关键词:自旋电子单分子磁体磁性质1、引言在基础和应用研究中，电子和自旋自由度的研究和开发是很有前途的领域[1]。
近十年来，自旋电子学科从基础物理到技术装置已经有了很大的进展[2]。
人们开拓了自旋电子体系这样的事实：电流是由向上和向下两个方向的电子流动产生的，电子的自旋状态实现了信息的编码和磁性材料之间的不同作用。
在没有外场和低能量的条件下，通过自旋的持久性进行信息编码的优势很小。
新的努力方向是直接得到具有持久的量子相干自旋电子装置，这一装置已经从金属、半导体[2,3]到有机材料[4]方面进行了基础研究。
后者在实际中得到了应用，如有机光放射二极管和有机晶体管的研制使电子装置达到了分子水平[5]。
分子自旋电子是用一个或几个磁性分子建立的分子装置[6]。
作为磁性分子的单分子磁体在低温时磁化强度的弛豫时间非常长（2K以下，达到数年时间[7]）。
其在高密度信息储存和量子计算方面的优势在于，在分子水平上兼有块状磁材料的性质和长相干时间[8]。
建立在磁学行为的单分子磁体具有丰富的物理效应，如负微分电导特性和完全的电流抑制[9]，这些性质可用在电极上。
此外，还可将一些特殊的功能（如作为光和电场的开关等）直接整合到分子水平上。
电子工程中的自旋电子学理论
电子工程中的自旋电子学理论自旋电子学理论是电子工程中的一个重要研究领域，其研究对象是电子的自旋，而不是电子的电荷。
随着磁性存储技术的快速发展，自旋电子学理论已被广泛应用于电子器件和计算机技术等领域。
本文将重点探讨自旋电子学理论的定义、原理及其在电子工程中的应用。
一、自旋电子学理论的定义自旋电子学理论是描述自旋与磁性相互作用的一种物理理论，主要应用于磁性材料的研究与应用，以及磁性存储设备的制造与优化。
在自旋电子学理论中，电子不仅具有电荷，而且具有自旋。
自旋指的是电子固有的自旋磁矩，是电子运动方向的磁场。
通过控制电子自旋，可以控制材料的磁性。
二、自旋电子学理论的原理首先要了解自旋的基础概念：自旋是电子的内禀属性，类似于固定轨道运动和角动量。
自旋有两个可能的方向，即“上”和“下”，可以用“+1/2”和“-1/2”表示。
在一个磁场中，电子会受到与自己自旋方向相反的力，这个力被称为磁场作用力。
因此，在一个磁场中，自旋方向相同的电子会向磁场区域集中，而相反的电子会分散在区域中。
自旋电子学理论还包括两个重要的概念：自旋极化和自旋电流。
自旋极化是指电子自旋朝向相同的概率比自旋朝向相反的概率更高。
自旋电流是指在一个导体中存在自旋向一侧的电子流。
自旋电子学理论在这两个概念的基础上，发现了一些有用的现象。
三、自旋电子学在电子工程中的应用1. 磁性存储器自旋电子学在磁性存储器中应用非常广泛。
在传统的硬盘驱动器中，数据是存储在一个矩形磁区中，每个磁区代表一个比特。
在新型的自旋电子学硬盘中，数据被存储在一个小型磁区中，即自旋填充层(Spintronic layer)。
自旋填充层包括两个分离的层，可以分别控制电子的自旋方向和运动方向。
这种技术比传统磁性存储器更加紧密和容量更大。
2. 自旋电流器件自旋电流器件是自旋电子学的一种应用，其原理是利用自旋电流控制磁性材料的自旋方向。
一个自旋电流器件由两个磁层隔着一个绝缘层组成，自旋电流会从一个层流入另一个层。
电子自旋与磁学
电子自旋与磁学在物理学中，电子自旋是描述电子运动的重要属性之一。
自旋不仅对于理解原子和分子的行为至关重要，还在磁学研究中扮演着重要的角色。
本文将探讨电子自旋与磁学之间的关系，并解释它们在科学和技术领域的应用。
1. 电子自旋的基本概念电子自旋是指电子围绕自身轴心旋转的运动状态。
与地球的自转类似，电子在运动时也具有旋转的属性。
这种自旋运动由一个量子数（spin quantum number）来描述，通常表示为s。
该量子数可以是正值也可以是负值，代表电子自旋的两种不同方向。
2. 磁学中的自旋磁学研究中，自旋是一个非常重要的概念。
在磁性材料中，电子自旋的相互作用导致微观磁矩的形成。
这些微观磁矩又相互作用，并导致宏观磁性现象的产生。
因此，了解电子自旋的行为对于理解磁性材料和磁学性质至关重要。
3. 自旋磁矩和磁化强度电子自旋产生的磁矩称为自旋磁矩。
自旋磁矩与电子的自旋方向相关，即"上"自旋产生的磁矩与"下"自旋产生的磁矩方向相反。
当大量电子自旋方向相同时，它们相互叠加，导致磁化强度的增加。
相反，当电子自旋方向混乱时，它们相互抵消，磁化强度减小。
因此，电子自旋对于物质的磁性质起着重要的调控作用。
4. 自旋磁矩与外加磁场的相互作用在外加磁场的作用下，电子自旋磁矩会与外磁场相互作用。
当外磁场方向与自旋磁矩方向一致时，它们相互强化，导致磁化强度增加。
相反，当外磁场方向与自旋磁矩方向相反时，它们相互抵消，导致磁化强度减小。
这种自旋与外磁场的相互作用被广泛应用于磁存储、磁共振成像等领域。
5. 自旋电子学自旋电子学是一门研究利用电子自旋操控信息传输和处理的学科。
通过控制电子自旋的方向和状态，可以实现低功耗、高速度的信息处理。
自旋电子学在量子计算、自旋器件、自旋传输等领域具有广阔的应用前景。
总结：电子自旋与磁学之间存在着密切而复杂的关系。
电子自旋通过自旋磁矩的形成和相互作用，调控物质的磁性质。
自旋电子学研究进展磁学会议
反铁磁层
钉扎铁磁层
自由铁磁层
S i
FeNi 15 nm
FeNi 15 nm
Cu 2.6 nm
FeMn 15 nm
Ag 2 nm
MR=2.2 %
增加纳米氧化层的自旋阀
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
Courtesy of NVE
Compassing
Global Position Systems
Vehicle Detection
Navigation
Rotational Displacement
Position Sensing
Current Sensing
Communication Products 通信产品
用第一性原理计算隧道电导和磁电导
小原子是镁，大原子是铁，大原子上的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面上的[110]方向。
多数电子和少数电子在费米面 附近态密度完全不同。
结构模型
Mg
1
o
Fe
[010]
[100]
[110]
2
[100]
Fe
MgO
多数电子和少数电子在费米面 附近态密度大体相同。
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
∆R/R=15％ ( >10％ )
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-600
-400
-200
0
200
400
600
H ( Oe )
MR ( % )
自旋电子学研究进展(磁学会议)
h
1
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子
二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻TMR h
2
一、序言
电荷 e1.60210x1019c
电子
电子
自旋 M s1.16530x1029W b/m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种 载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。
MR(%)
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
h
4
2
0
13
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
图中所示为样品的退火温度
28
2005.2 实验结果
室温：MR=220％ 4K：MR=300％
热稳定性可超过 4000C,有利于与 CMOS配合
用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80x80m2)
TA=3700C TA=3800C
TA=3600C
MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织
构；IrMn：f.c.c.(100)织构
h
三种样品的TMR与退火温度的关系，
这就是自h 旋极化的各向异性起因。
22
2001.1实验结果
MgO单晶势垒的磁隧道效应
w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)
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GMR的部分应用
•硬盘读出磁头 •GMR隔离器 •传感器
•GMR-type MRAM
(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM, 估计军方是唯一用户)
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
硬磁盘读出头的发展
2019年 ~170Gbit/in2
2000 100
用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构
J.Appl.Phys.69(1991)4774
反铁磁层 钉扎铁磁层
自由铁磁层
Ag 2 nm FeMn 15 nm FeNi 15 nm Cu 2.6 nm FeNi 15 nm
Si
MR=2.2 %
能否增加自旋阀磁电阻？ CPP; 纳米氧化层
Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/4
48
51
49
自旋电子学产生的背景：
例如： 纳米柱器件
• 纳米尺寸下新物理效应的发现； • 能在纳米尺度制备多层薄膜；
• 微电子工艺能制备亚微米器件； • 信息存储发展的需求。
3d 4s
P=45%
P=100%
GMR=4.0%
典型的两种效应：巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR
全球定位
Global Position Systems
车辆检测
Vehicle Detection
导航
Navigation
Rotational 转动 Displacement 位移
位置传感器
Position Sensing
电流传感器
Current Sensing
Communication Products 通信产品
自旋电子学研究进展磁学会议
•
电子自旋极化度
当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成
向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态，极化度表示为
自旋极化度 N N P N N
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
实验结果：
材料
Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
MR(%)
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
4
2
0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大
↑↓
∆R/R(％)随Cr厚度变化的振荡关系
↑↓
↑↑ ↑↓
↑↑ ↑↓
↑↑
饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系 Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
1990年 1991年
Shinjo Dieny
GMR自旋阀
两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
1988年 Baibich等
金属多层膜的巨磁电阻
发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应
Phys.Rev.Lett.61(1988)2472
↑↓
反铁磁耦合(H=0)
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2019
MR ( % )
16
14
12
NOL
10
15%
8
6
4
8%
2 0
-2 -600 -400 -200 0 200 400 600 H ( Oe )
三、隧道磁电阻TMR
1975年 Julliere 1982年 Maekawa等
在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反 平行 的电导变化在4.2K为14％。Phys.Lett.54A(1975)225
在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应
IEEE Trans.Magn.18(1982)707
2019年 Miyazaki
在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，在室温下有15.6％的磁隧道 电导变化，磁场灵敏度为8％/Oe。
J.Magn.Magn.Mater.139(2019)L231----151(2019)403
Fe Fe
↑↓
↑↓
↑↑
↑↑
↑↑
Al2O3
Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化
↓↓
↓↑ ↓↑
非磁金属Cu-GMR 绝缘体Al2O3-TMR
巨磁电阻GMR
Co/Cu多层膜
自旋电子极化方向平行磁化强度方向 自旋电子极化方向反平行磁化强度方向
RAP
RAP
RP
RAP
RP
RP
RAP
RP
磁化强度平行，RP电阻小
磁化强度反平行，RAP电阻大
MR RAP RP RP
二流体模型
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
预计不久到 1000 Gbit/in2,最终可能到 50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/in2)
GMR隔离器 原理与实物
2000年引入，目前速 度为光隔离器的10倍， 最终100倍
Courtesy of NVE
The World of Magnetic Sensors
罗盘
Compassing
Ta(5nm)
Si
TMR=22%
退火态
TMR=50%
77K和4.2K
X.F.Han et all.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000) L441.
各向异性的磁隧道电阻
单晶MgO做底层，相邻铁形成单晶的 TMR
↓↓
Fe Al2O3
Fe
Fe/Cr/Fe磁滞回线
2000年 TMR达到50％ (Al2O3为0.8nm)
制备态和热处理后
制备态
Ta(5nm) Ni79Fe21(20nm) Co75Fe25(4nm) Al2O3(0.8nm) Co75Fe25(4nm) IrMn(10nm)
Ni79Fe21(3nm) Cu(20nm) Ni79Fe21(3nm)
↑↓ 电阻大
自旋极化度 N N P N N
TMR 2P1P2 1 P1P2
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
自旋电子现象研究进程
二、巨磁电阻GMR
1986年 Grunberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反 铁磁耦合
《纳米尺度的效应》
Fe Cr Fe
Fe Cr∼1nm Fe