第三讲 自旋电子学
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。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
自旋电子学简介
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。
自旋电子学的研究及其应用
自旋电子学的研究及其应用自旋电子学是一门近年来不断发展壮大的物理学分支，在许多领域有着广泛的应用。
自旋电子学的本质是将电子的自旋作为信息存储和处理的基本单元，与传统的电荷电子学不同，自旋电子学主要研究自旋极化和磁性材料的物性等问题。
本文将围绕自旋电子学的研究和应用展开探讨。
自旋电子学的研究基础自旋电子学最早起源于20世纪50年代，当时电子学的主要研究方向是电子的电荷性质。
然而，在20世纪60年代初期，一些科学家发现，电子不仅有电荷，还有自旋。
自旋是电子特有的一种角动量，带有一定的磁性。
磁性的自旋可以看作是一种磁场，因此，自旋可以被用来控制磁性物质的电学性质，也可以被用来存储和传输信息。
自旋电子学的研究涉及到自旋的量子力学和自旋极化的物理化学等多个领域。
其中最关键的问题是如何将电子的自旋转化为可控制的电学信号。
经过多年的研究，科学家找到了一种用自旋控制电学信号的方法，就是通过自旋极化电流来控制材料的磁性，从而实现信息的存储和处理。
自旋电子学的应用自旋电子学的应用非常广泛，可以涉及到信息技术、能源、生物医学、环境保护等多个领域。
以下将列举几个自旋电子学的应用案例。
1. 磁性存储器磁性存储器是自旋电子学最主要的应用之一。
磁性存储器是一种通过自旋极化来实现信息存储和读出的储存设备。
磁性存储器可以用来存储各种类型的数据，如音频、视频、图像等。
目前，磁性存储器已经成为了大规模数据存储的重要工具。
2. 自旋电子器件自旋电子器件是一种通过自旋控制的电子设备。
自旋电子器件可以通过调节自旋极化来控制电子的输运、逆转和操纵等。
自旋电子器件可以广泛应用于电磁学、电子器件工程、物理化学等领域。
3. 磁性减震器磁性减震器是一种通过自旋极化来减少震动的设备。
磁性减震器可以通过磁场的作用将机台内部的震动缓解，从而减少机器的噪音和振动。
磁性减震器在机械工程、制造工艺等方面有广泛的应用。
4. 纳米磁性探针纳米磁性探针是一种通过自旋极化来探测材料结构和性质的工具。
自旋电子学概述
自旋电子学概述自旋电子学是一门研究电子自旋运动和相关现象的学科领域。
自旋电子学在物理学、材料科学和电子工程等领域具有重要的理论和实际应用价值。
本文将简要介绍自旋电子学的起源、基本概念以及应用前景。
一、起源自旋电子学最早可以追溯到20世纪初。
美国物理学家斯特恩在1922年的实验中首次观测到电子的自旋。
自旋被认为是电子的基本属性之一，其类似于物体的自旋，但又有所不同。
自旋除了带有磁矩，还具有量子性质，如量子态叠加和纠缠等。
二、基本概念1. 自旋电子学中的自旋：自旋是描述电子旋转角动量的量子性质。
常见的自旋取值有“上自旋”和“下自旋”，分别对应自旋向上和向下。
2. 自旋电子学中的磁性：自旋和磁性密切相关，自旋带有磁矩。
通过利用电子自旋来操控和感知材料的磁性，可以实现磁存储、磁传输和磁传感等应用。
3. 自旋电子学中的自旋轨道耦合：自旋轨道耦合是指自旋和电子轨道运动之间的耦合效应。
它可以通过磁场、电场和材料的对称性等因素来调控。
自旋轨道耦合是实现自旋电子学功能的重要基础。
三、应用前景自旋电子学具有广阔的应用前景，以下列举几个重要的研究方向和应用领域：1. 自旋电子学器件：利用自旋来实现信息的存储、传输和处理是自旋电子学的重要应用之一。
例如，自旋晶体管、自旋场效应晶体管等器件可以用于高效的信息存储和处理。
2. 磁存储技术：自旋电子学在磁存储领域具有广泛的应用。
通过调控电子自旋来实现高密度、高速度的磁性存储，可以有效解决传统磁存储技术面临的挑战。
3. 自旋电子学材料：自旋电子学的发展离不开新型的自旋电子学材料。
例如，具有自旋劈裂特性的材料可以用于自旋传输和自旋滤波器件。
4. 量子自旋系统：自旋电子学与量子信息领域的交叉也是一个研究热点。
利用电子自旋来实现量子比特的存储和操作，有望实现量子计算和量子通信的突破。
四、总结自旋电子学作为一门新兴的学科领域，对于未来信息技术的发展具有重要意义。
随着研究的深入和技术的不断突破，自旋电子学有望在信息存储、传输和处理等领域发挥重要作用。
自旋电子学
后来,人们设计出一种三明治结构,使相邻铁磁层的磁矩 不存在(或只存在很小的)交换耦合,则在较低的外磁场 下相邻铁磁层的磁矩能够在平行与反平行排列之间变 换,从而引起磁电阻的变化,这就是所谓的自旋阀结构 (spin valve).自旋阀结构的出现,使得巨磁电阻效应的应 用很快变为现实.
12-318出品
自旋电子学涉及的典型课题 a)如何有效地极化一个自旋系统，即如何获得自 旋极化相干态（包括自旋注入） b)系统的自旋极化相干态在输运过程中能保持多 长时间 c)如何有效地探测和操纵自旋状态以及自旋状态 的改变
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理论部分 非对易量子力学
[xi , x j ]
i ijk
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如果有磁通Φ穿过介观环 ,电子流过环时将发生干涉效应。 控制透射电子的自旋极化方向有两种方法 ,一科种方法是施加一定 大小的切向磁场 B,改变附加磁通的大小;另一种方法是选定附加磁 通的大小 ,调节切向磁场 B的大小。
既可以通过调节磁通也可以通过调节切向磁场来控制透射电子 的自旋极化方向 ,适当的调节可以使电子的自旋发生翻转。对于不 同的入射自旋态 ,这种装置可以用来控制极化自旋流或者充当自旋 开关
12-318出品
1995年,人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr,在 Fe/Al2O3/Fe三明治结构中观察到很大的隧道磁 电阻(Tunneling Magnetoresis-tance,TMR)现象, 从而开辟了自旋电子学研究的又一个新方向.
12-318出品
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•电子拥有自旋和电荷 •电子的逻辑装置采用电子的 带电性质 •电荷相互作用的能量在eV 级，而自旋相互作用在meV 级别 •基于电子的自旋性质的逻辑 运算的功率损耗要远小于基 于电荷性质的
自旋电子学第三讲
垂直磁记录与纵向磁记录的比较
3.磁记录介质 3.磁记录介质
磁性纳米微粒： 磁性纳米微粒：
颗粒的长度应远小于记录波长； 颗粒的长度应远小于记录波长； 粒子的宽度应远小于记录深度； 粒子的宽度应远小于记录深度； 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 铁或氧化物针状粒子： 铁或氧化物针状粒子：r-Fe2O3, CrO2,Fe, 钡铁氧体 典型的：微粒大小10~20nm 典型的：微粒大小
3）状态密度不同导致两种自旋电子子带数量不同:
Ni
铁磁金属的3d能带劈裂
自旋极化率:
p = (D↑ − D↓ ) (D↑ + D↓ )
p1 (Fe ) = 0.44 ,
P2 (Co ) = 0.34
4)当电流流经铁磁金属 时形成自旋极化电流。 这也意味着，当电流从 FM层通过欧姆接触的 界面流进顺磁金属(PM) 时也是自旋极化的，称 为： ”自旋积累”(spin 自旋积累”
accumulation)
自旋积累的大小取决于FM/PM 自旋积累的大小取决于 界面上自旋注入率和spin flip率 界面上自旋注入率和 率
5பைடு நூலகம்自旋扩散长度
自旋积累在一个长度范围内呈指数衰减，这 个长度称为“自旋扩散长度 自旋扩散长度”。 自旋扩散长度
Fermi velocity Spin flip time Mean free path
Free CoFe/NiFe/Ta/NiFe
Buffer Ta
Synthetic Pin
HRF
作用：提高材料巨磁阻效应， 作用：提高材料巨磁阻效应，提高自由层效率
数据的写入过程 电流反向写“ 电流反向写“1” 不变写“ 不变写“0”
自旋电子学的研究及应用
自旋电子学的研究及应用自旋电子学是一门新兴的物理学科，它旨在探索电子自旋在材料中的物理现象和应用。
随着纳米技术的发展，自旋电子学已成为一个高度活跃的领域，尤其是在磁存储、量子计算和自然大气层探测等方面，都有着广泛的应用前景。
自旋电子学的研究初衷是为了更好地理解电子的结构和运动，以便更好地进行电子设备的设计和制造。
而传统的电子学研究集中在电子的带电粒子特性上，而自旋电子学则是研究电子自旋这一新特性，即电子固有的自旋角动量，因为这种特性可以用来存储和传输信息。
在自旋电子学中，研究人员可以探索电子之间的相互作用、电子在材料中的分布、电子在磁场中的行为等问题。
将自旋电子学应用于磁存储技术中，是自旋电子学中的一个非常成熟和广泛应用的领域。
传统的磁存储器件是基于磁性材料的磁性特性进行工作的，而自旋电子学中的磁性存储器件可以利用电子自旋作为信息存储单位，因其优点是数据更加稳定和可靠，所以可以达到更高的存储密度和读写速度。
目前，自旋电子学在磁盘存储、磁性随机存储器、磁性纳米线和磁性隧道晶体管等方面的研究都取得了重要的进展。
另外，自旋电子学还可以应用于量子计算机中。
量子计算机的核心是利用量子比特(qubits)作为计算的基础单位，而自旋电子学则是探索电子自旋的性质以实现qubits。
相比于传统计算机，量子计算机使用的量子比特能够处理大量的信息，因此可以更高效地进行计算。
自旋电子学中的量子比特技术已经用于量子比特的设计和制造，并且取得了一些重要的进展和成果。
例如，利用自旋量子比特可以实现比特的非破坏性读取和写入，从而在量子计算中实现了单比特控制操作。
在自然大气层探测领域，自旋电子学也有着重要的应用。
大气层对于太阳活动的响应是一种自旋极性反转现象，即自旋电子的自旋极性会随着太阳活动周期变化。
自旋电子学可以利用自旋电子在大气中的特性来检测这种自旋极性反转现象，从而可以更好地研究大气层和太阳活动对地球的影响，具有很大的科学价值。
自旋电子学与自旋电子器件简述知识分享
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。
自旋电子学中的自旋霍尔效应与自旋极化电流研究
自旋电子学中的自旋霍尔效应与自旋极化电流研究自旋电子学是一个新兴领域，旨在利用电子的自旋自由度来实现信息存储和处理。
在自旋电子学中，自旋霍尔效应和自旋极化电流是两个重要的研究课题。
本文将介绍自旋霍尔效应和自旋极化电流的物理定律、实验准备和过程，并讨论它们在实际应用和其他专业性角度的研究。
首先，我们来了解一下自旋霍尔效应的物理定律。
自旋霍尔效应是基于霍尔效应发展而来的，霍尔效应是指在一个有电流通过的导体中，如果垂直于电流方向加上一个外磁场，会在导体的侧边产生一种电势差。
而自旋霍尔效应是在霍尔效应的基础上引入了自旋自由度，即考虑电子的自旋角动量，从而实现了对自旋的控制和操纵。
自旋霍尔效应使得自旋电子在导体横向运动时会出现一定的偏转，并且该偏转方向与自旋角动量的方向有关。
这种效应可以用来实现自旋转换和自旋操纵，为自旋电子学提供了一种新的手段。
为了研究自旋霍尔效应，我们需要进行一系列实验准备。
首先，我们需要制备一种具有自旋极化性质的材料，如铁磁性材料等。
随后，我们需要制备一块具有导电性质且尺寸小于自旋弛豫长度的薄膜样品，以便实现自旋信号的传输和探测。
另外，我们还需要建立一套实验装置，包括磁场调控系统、电流源、电压测量仪器等。
在实验过程中，我们首先将薄膜样品放置在实验装置中，并通过电流源加上一定大小的电流。
接着，我们在样品周围加上垂直于电流方向的外磁场，从而实现自旋极化。
当自旋极化的电子通过样品时，由于自旋霍尔效应的存在，电子在横向运动过程中会受到一定的偏转。
通过在横向方向上放置一对电压测量探头，我们可以测量到样品侧边产生的电势差，即自旋霍尔电压。
通过调节电流源和磁场调控系统，我们可以进一步研究自旋霍尔效应的特性，如自旋相关电阻、自旋霍尔电导等。
自旋极化电流是另一个重要的研究课题，它可以用于实现自旋电子器件的构建和应用。
自旋极化电流是指在电流中引入一定的自旋极化度，即电流中的自旋向上或向下有所偏向。
通过自旋极化电流，我们可以实现自旋转换、自旋注入等操作。
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FM层间的振荡耦合――SMOKE
丘子强等 1992 Fe/Mo/Fe
单层膜厚度 t 的限制
金属：t（≈2nm ）《 λ(≈20nm)《 Ls (≈200nm）
MR ( R0 RH ) R0
a，增大分子。需远小于”自旋弛豫长度“。两流体近似。
b，减小分母。需远小于”平均自由程“。弹性散射。
D D d d 2 D d 0
D d 2 0
不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的） 定义
TMR I I
I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
J e N1 N 2
重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象的差别
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 1 隧道效应 2 隧道磁电阻效应 3 扫描隧道显微镜STM 4 自旋极化STM 5 ......... 势垒 绝缘体 绝缘体 真 空 真 空 电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品
自旋电子学及其相关领域前 沿科学研究
主讲人：许小红
一、巨磁电阻效应（GMR）
二、隧道磁电阻效应（TMR）
三、稀磁半导体（DMS）
一、巨磁电阻效应（GMR）
2007 Nobel 物理奖—巨磁阻效应
Peter Gruenberg 彼得· 格林贝格尔
Albert Fert 阿尔贝· 费尔
巨磁电阻（GMR）效应
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
）
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
Buffer TMR 磁性隧道结
隧道磁电阻
GMR
TMR
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应
Free ferromagnetic layer
N N
S S
Barrier
Resistance
Rap
S N
N S
Pinned ferromagnetic layer
Rp
N N
S S
0
TMR ratio＝
Rap- Rp Rp
M(H) magnetization
M/MS
Spin-Valve (SV)
AFM
HEB
AFM
H
AFM
R/R
R(H) magnetoresistance
AFM
AFM
AFM
0 HEB
Spin valve (SV) – M(H) & R(H)
FeMn/Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20
R+ R
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
散射过程中没有自旋反转 S↑电子未被d ↑（ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d ↑在Fermi面没有状态)
S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大) 结果：
低温电阻率（Spin－flip 散射 0）
Mott模型和GMR效应（1） 按Mott模型（看上图） 1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， R s电子与（Majority）d 电子散射弱，
电子自旋与所在层磁矩 相反时， R s电子与（Minority）d 电子散射强。
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P P2 1 P P2 1 1
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1 Fe 0.44, P2 Co 0.34
Magnetic field x100 (%)
Rp ： Resistance in parallel magnetization configuration Rap ： Resistance in antiparallel magnetization configuration
自旋相关散射(磁电阻效应)
Lspacer [layer]
TMR大于2000 ％ ！！！
隧穿现象
“M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率
T J tran J in Vt t
2
Vi i
2
用 WBK 方法计算波函数
结果：
计算穿透率 T
自由电子平面波情况
x2 T exp 2 h 2mV E dx exp 2 I x1
隧道磁电阻
TMR与GMR之比较
隧穿磁电阻（TMR）同金属多层膜以及自旋阀(spin valve)的巨磁电 阻(GMR)效应有相似的应用，但它比自旋阀具有更高的磁电阻比值 及相似的翻转磁场，因而可以有更大的灵敏度，且有内阻高、功耗
低、输出电压高等特点。
TMR和GMR都可以在室温使用！！！
（注意：数值大小是 D d d D
）
Julliere公式（2）
比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ?
问： I >
I ？
这就是TMR效应
证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然
D D d d D d D d 2 D d
1
电导的自旋相关因子
两流体模型（3）
α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零 I.A.Cammpbell and A.Fert (1982)
Mott两流体模型(4)
计入Spin－flip 散射（热自旋波散射）， 高温电阻率
[ ] 4
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极
p2 D2 D2 D2 D2
简单代数运算，就得到 Julliere的公式，
TMR 2P P2 1 P P2 1 1
R/Ro
Sy-antiferromagnetic Spin valve
Pseudo-Spin valve (non-coupled)
Magnetic field, H
隧道磁电阻
最新进展－量子振荡 TMR
FM I
EF
NM FM
TMR
kF k
Lspacer
cp
Clean Disordered
隧穿电流 Simmons 公式！（1963）
应该计入 Fermi－Dirac 统计
Ef 2 4m 2 h 3 T Vr 2m dEx f 0 E r E x dEr N1 0 0
(1) → (2) 电子
(2) → (1) 电子
隧穿电流
Ef 2 2 3 4m h T Vr 2m dEx f 0 Er E x eV dEr N2 0 0
NiFe2.8nm/Co2.1nm/Cu2nm/Co3nm
8 M1 M2 M1 M2
1,5
7
1,0 0,5
6
M [T]
R/R [%]
5
0,0 -0,5 -1,0
4
3
2
M1 M2
M1 M2
1
-1,5
0 -15 -10 -5 0 5 10 15
-10
0
10
Field [kA/m]
Field [kA/m]
隧穿磁电阻 (TMR) 效应
“FM－I－ FM” 结 发现
M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
FM(Ni-Fe) (Al-O)
S1
S2
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
隧道磁电阻
伪自旋阀
Capping layer
Free layer Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer Seed layer Underlayer Ta CoFe CoFe IrMn, PtMn NiFe, NiFeCr Ta
-0,8
0,0
0,5
-30
-20
-10
0
10
Field [kA/m]
上下自旋平行时电子 容易通过--低电阻态
上下自旋反平行时电 子被散射—高电阻态
二、隧道磁电阻效应（TMR）
隧道磁电阻
（二）隧道磁电阻（TMR）的发现与 新进展
1975 年在铁磁/半导体/铁磁三层膜中的磁隧穿测量， 是在低温4.2 k 进行 平行和反平行磁化状态对应的电导 相对差别为14％，这就是最早的隧穿磁电阻（TMR） 效应。 静止20 年后，1995 年日本科学家宫崎照宣报道了电导 的相对变化在室温下达到18％，同年美国MIT 研究组 也报道了类似结果，这是GRM 效应之后最重大的进展。 于是，在世界范围掀起了自旋电子学研究和开发的第 二个高潮。