Spintronics-东南大学物理学院
吴健雄学院概况
吴健雄学院概况吴健雄学院是东南大学拔尖创新人才的培养基地、教育教学改革的实践基地和管理改革的示范基地。
学院以世界杰出物理学家、东南大学校友吴健雄先生的名字命名。
世界著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者丁肇中先生受聘为学院名誉院长，中国工程院院士、东南大学校长张广军教授兼任学院院长。
学院始终以“汇聚优质资源，培养精英人才”为宗旨，秉持“卓越化、个性化、国际化”育人理念，致力于培养志向远大、国际视野宽阔的未来战略科学家、工程科技领军人才和业界高端引领人才。
学院始于1985年9月创立的少年班，1990年发展成为强化班，2004年正式成立吴健雄学院，相继设立“电子信息类、机械动力类学科大类强化班”，涉及我校信息科学与工程、电子科学与工程、机械工程等9个学院相关专业，实施按学科大类的“2+2”培养模式。
2007年秋学院设立“高等理工实验班”，探索实施本研打通、具有跨学科交叉能力的个性化人才培养模式。
从2011年起，高等理工实验班涉及我校13个工科院系，包括机械工程、能源与环境工程、信息科学与工程、土木工程、电子科学与工程、自动化、计算机科学与工程、生物医学与工程、材料科学与工程、电气工程、化学化工、交通、仪器科学与工程等，覆盖所有相关专业。
2016年9月，在继承三十年拔尖人才培养改革成果的基础上，学院推出开放式、个性化拔尖人才培养的“工科试验班（吴健雄班）”（简称“吴健雄班”），进一步优化“厚基础、宽口径、强交叉、重个性”的人才培养方案，推进“三制五化”的人才培养理念，即“书院制、导师制、完全学分制，小班化、个性化、国际化、卓越化、本研一体化”，构建荣誉教育体系和开放性荣誉激励制度，进一步与国际荣誉教育模式接轨。
自此，两类强化班和实验班被全新的工科试验班取代。
学校为吴健雄学院的学生提供优质的教育教学资源和环境，拥有教学名师、长江学者特聘教授、杰出学者在内的国内外高水平师资和专业导师团队，建设有包含国家级精品课、国家级双语示范课、人文艺术特色课、项目型基础实验课、国外教授全英文系列研讨课在内的精品课程体系，提供广阔的国际化合作平台和交流渠道，实施优秀教师担任驻院导师的书院制管理，为优秀学生创造更优的成长和发展空间。
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 spinGuo 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。
2019东南大学物理学院招生目录及参考书目
热力学统计物理
《热力学统计物理》（第三版）汪志诚，高教出版社
导师姓名
070200
物理学
杨永宏,翟亚,汪军,邱腾,王金兰,施智祥,徐庆宇,徐明祥,蒋维洲,李旗,叶巍,董帅,吕准,侯净敏,倪振华,范吉阳,杨文星,郭昊,董正高,吴桂平,夏柱红,庞侯荣,董科,王勇刚,唐雁坤,姚晓燕,陈世华,周海清,冯红涛,洪昆权,戴玉蓉,郝雷,吕俊鹏,吴秀梅,陈艺文,邢定钰(兼),熊庄,陈乾,袁士俊,侯吉旋,王进,周智勇,陈殿勇,刘春华,陈华,黄兆聪,李强考试科目
备注
010物理学院(52090600-8202)
070200物理学
01原子核物理与粒子物理(全日制)
02凝聚态理论与计算(全日制)
03磁学与自旋电子学(全日制)
04纳米材料与光电器件(全日制)
05超导与强关联物理(全日制)
06量子光学与量子信息(全日制)
07新能源材料与器件(全日制)
参考书目
科目代码
科目名称
参考书目
715
量子力学
《量子力学教程》（第三版）曾谨言，科学出版社
936
普通物理
《普通物理学教程力学》（第二版）漆安慎，高教出版社；《物理学》（上、下册）（第六版）马文蔚、周雨青，高教出版社；《光学教程》（第三版）姚启钧，高教出版社；《电磁学》（上、下册）（第二版）赵凯华，高教出版社；《原子物理学》（第三版）杨福家，高教出版社。
08激光物理与非线性光学(全日制)
①101思想政治理论②201英语一③715量子力学④936普通物理
注：该人数为拟考试招生人数，不含拟招收推免生人数。最终考试招生人数根据教育部下达计划及实际录取推免人数进行相应的调整。
复试科目:556热力学统计物理
D-02.多铁性材料
主题：氧化物功能调控 主持人：郭杭闻 15:35-16:05 D02-34(Invited) 功能氧化物的离子调控 于浦 清华大学 16:05-16:35 D02-35(Invited) Ionic liquid gel gating control of magnetism for flexible spintronics 刘明 西安交通大学 16:35-17:05 D02-36(Invited) 铁谷性的多种起源和相关奇特物性 段纯刚 华东师范大学 17:05-17:17 D02-37(Oral) 光栅结构锰氧化物超晶格的光磁电调控 裴环宇，张云婕，郭蜀晋，任丽霞，闫虹，陈长乐，金克新， 罗炳成 西北工业大学 17:17-17:29 D02-38(Oral) 共掺杂 TiO2 的巨介电机理探究及储能应用 魏贤华 1，杨超 1，郝建华 2 1.西南科技大学 2.香港理工大学 单元 D02-6：7 月 16 日上午 主题：畴及多场耦合 主持人：郑仁奎 地点：会议中心1G02会议室
15:30-17:30
墙展
西北工业大学 单元D02-5：7月15日下午 主题：铁电陶瓷 主持人：柴一晟 地点：会议中心1G02会议室 13:30-14:00 D02-29(Invited) Ruddlesden-Popper 结构 Sr3Sn2O7 基陶瓷的一级杂化非本 征铁电相变 刘小强，鲁涓涓，陈湘明 浙江大学 14:00-14:30 D02-30(Invited) 铁酸铋陶瓷的铁电与应变性能研究 吴家刚 四川大学 14:30-15:00 D02-31(Invited) AgNbO3 无铅反铁电陶瓷及其储能性能 李敬锋 清华大学 15:00-15:12 D02-32(Oral) Nd 置换 BiFeO3 多铁性陶瓷的结构演变以及铁电、磁性能 陈静，高庭庭，陈湘明 浙江大学 15:12-15:24 D02-33(Oral) Ca3Mn2O7 的铁电与光学性质研究 刘美风 1，王煜 1，张杨 2，王秀章 1，董帅 2，刘俊明 13 1.湖北师范大学 2.东南大学 3.南京大学 15:24-15:35 茶歇
完整版mems简介
技术基础-1：微型碱金属腔制备技术
自行研制的微型碱金属腔照片
碱金属腔光谱测试图
特点：
1、钾、铷、铯的微型化封装以及混合封装
2、微腔形状、尺寸(几十微米-几厘米)可控；
3、铷腔内的气氛、压力可调，腔内压力 可高于3个大气压力
? 中国专利； ? IEEE EPTC ，2013； ? IEEE ECTC2014 ，Travel Award ；ECTC 2015 Accepted.
2 预研教育部支撑
项目名称 ****** ******
3 重大专项子课题
高密度三维系统级封装关键技术研 究
4
江阴长电先进封装 有限公司
5
国家自然科学基金 面上项目
6
863项目
7
国家自然科学基金 面上项目
微电子封装开发重点项目
球形玻璃微腔用于MEMS基础研究
热成型玻璃微腔用于 MEMS圆片级、 真空封装技术研究
多样化的玻璃微结构
? 中国专利； ? IEEE J. MEMS ，2011； ? IEEE MEMS ，2010； ? IEEE ECTC ，2010； ? IEEE ECTC ，2011
三、 SEU-MEMS相关基础
技术基础-2：微透镜阵列加工技术
带有spacer 的聚合物透镜阵列
带有spacer 的单个聚合物透镜
3D CAPACITORS
ANTENNAS & FILTERS
其它MEMS 传感器1
MEMS
基板
其它MEMS 传感器2
高密度I/O
预留高 速接口
3D Iபைடு நூலகம்s 存储单元
电源/电池模块 供电模块
? 三维封装、基于基板的埋入式封装(EMAP+SIP) ? 系统级集成封装降低体积、功耗，低成本和可批量制造
《物理学的诱惑》——杨振宁在东南大学的演讲(摘要)
《物理学的诱惑》——杨振宁在东南大学的演讲（摘要）很多人认为物理学是很艰难的学问，其实不然，研究物理学的动力是好奇心。
有了好奇心钻研物理就不难，而研究的结果可以改造人类的生产力跟人类的福利。
1831年，英国人Faraday做了一个很简单的实验。
这个实验对于人类的影响是没有法子计算的。
Faraday二十岁的时候经过一个偶然的机会，被一个有名的化学家雇佣为助手，从此就开始了研究生活。
开始的时候虽然大家知道有电有磁，可是这两个的关系不清楚，而且电的性质跟磁的性质也都不清楚。
大家知道你们在冬天脱毛衣的时候常常有火花，这就是因为毛衣跟周围的东西有了静电。
所以在Faraday早年的时代，在欧洲有一个魔术，这个魔术是用一个金属的盘子，上面站着一个女孩，你把金属的盘子里充了静电，那个时候知道怎么样用刚才讲的火花的办法继续累积，可以弄很多静电跑到这个金属的盘子上，那个女孩子全身都有静电。
那么电有个倾向，走到身体的表面极端，所以这个女孩子的头发肩上都有静电。
这是当时很有名的一个魔术。
可是到底这电是怎么回事，就是像Faraday他们这样的人研究。
Faraday在1831年做了一个划时代的实验，这个实验其实非常简单，它就是有一个线圈，线圈里放了一个磁铁，那么当这样子他发现这个线圈没有电，他发现当线圈不动把磁铁往里面塞一下，立刻就发生了电。
假如把这个磁铁往外拉一下也发生电。
反过来也可以，把磁铁不动，把线圈向右或向左动线圈也发生电这是个大发现。
在物理学里面有一个专有名词叫做电磁感应，英文叫做electro- magnetic induction 。
这个简单的实验的影响是没法子估计的。
今天我们所有用的电，都是从大发电厂发出来的。
像这个发电厂，这个发电厂里头所用的原理是什么的呢？它用的就是Faraday的原理，就是用一些不动的磁铁，在这个不动的磁铁里，弄些线圈来动，照刚才讲的这个electro- magnetic induction使得这些动的线圈里有电，然后把电通到我们家里来，通到礼堂来，所以是Faraday把人类带进了电的时代。
东南大学物理实验中心智慧实验室系统采购项目公开招标公告
东南大学物理实验中心智慧实验室系统采购项目公开招标公告项目概况：江苏省设备成套股份有限公司受东南大学委托，就东南大学物理实验中心智慧实验室系统采购项目进行公开招标采购，现欢迎符合相关条件的供应商参加投标。
东南大学物理实验中心智慧实验室系统采购项目的潜在投标人应在中招联合招标采购平台（以下简称平台）网址为：略获取招标文件，并于2020年7月3日09点00分（北京时间）前递交投标文件。
一、项目基本情况项目编(略)项目名称：东南大学物理实验中心智慧实验室系统采购项目项目地点：东南大学九龙湖校区物理实验中心项目预算：97万元采购需求：物理实验中心采购智慧实验室系统（三间实验室，含软硬件）系统功能：1、实验室管理的信息化2、实验教学管理的信息化3、实验教学全过程的智慧化4、互联互动的实验室智慧研讨环境合同履行期限：合同签订后40天内设备安装调试合格。
本项目不接受联合体投标。
二、申请人的资格要求：1.参加政府采购活动的供应商应当具备政府采购法第二十二条第一款规定的条件，并依照政府采购法实施条例第十七条规定提供材料：（1）具有独立承担民事责任的能力（提供法人或者其他组织的营业执照；供应商为自然人的，提供其身份证）；（2）具有良好的商业信誉和健全的财务会计制度（提供2019年度的财务报告，或投标截止时间前六个月内银行出具的资信证明，或财政部门认可的政府采购专业担保机构出具的投标担保函）；（3）具有履行合同所必需的设备和专业技术能力（供应商根据履行采购项目合同需要，提供履行合同所必需的设备和专业技术能力的证明材料）；（4）有依法缴纳税收和社会保障资金的良好记录（提供参加本次政府采购活动前半年内至少一个月缴纳增值税，或营业税，或企业所得税的凭据；并提供缴纳社会保险的凭据（专用收据或社会保险缴纳清单））；（5）参加政府采购活动前三年内，在经营活动中没有重大违法记录（提供承诺书）；（6）法律、行政法规规定的其他条件：无2.落实政府采购政策需满足的资格要求：无。
东南大学生物科学与医学工程学院
东南大学生物科学与医学工程学院生物电子学国家重点实验室东南大学医学电子学实验室东南大学影像科学与技术实验室江苏省生物材料与器件重点实验室苏州市环境与生物安全重点实验室苏州市生物医用材料及技术重点实验室无锡市生物芯片重点实验室要紧研究领域：学院的科学研究及学生培养方向瞄准21 世纪主导学科——生命科学、电子信息科学与材料科学，强调不同学科之间的交叉与渗透，综合应用电子信息科学理论与方法解决生物医学领域中的科学咨询题，进展现代生命科学技术。
在生物医学工程一级学科下自主设置以下二级学科：生物信息技术医学图像与医学电子学生物传感与生物电子学生物医学材料与纳米技术制药工程医学信息学及工程一、简介东南大学是中央直管、教育部直属的全国重点大学，是“ 985 工程”和“211工程”重点建设的大学之一，是国务院首批可授予博士、硕士、学士学位和审定教授、副教授任职资格及自批增列博士生导师的高校。
学校坐落于历史文化名城南京，占地面积6300 多亩，建有四牌楼、九龙湖、丁家桥等校区。
东南大学是以工科为要紧特色，理学、工学、医学、文学、法学、哲学、教育学、经济学、治理学等多学科和谐进展的综合性大学。
东南大学生物科学与医学工程学院的科学研究及学生培养方向瞄准21 世纪主导学科——生命科学、电子信息科学与材料科学，强调不同学科之间的交叉与渗透，综合应用电子信息科学理论与方法解决生物医学领域中的科学咨询题，进展现代生命科学技术。
学院在生命科学领域中的研究与应用处于国内领先水平，拥有一个国家重点学科——生物医学工程，该学科在2006 年的全国一级学科评估中排名第一；拥有一个一级学科博士点、七个自主设置的二级学科博士点，有一个生物医学工程博士后流淌站，该流淌站于2005 年被评为国家优秀博士后流淌站；拥有生物电子学国家重点实验室，这是我国生物医学工程领域中唯独的一个国家重点实验室。
生物科学与医学工程学院已建成一支多学科交叉、以优秀中青年博士为主、拥有多名国家级专家的高水平学术梯队，现有专职教师60 余人，其中院士1 人，长江学者特聘教授3人，国家杰出青年基金获得者2 人，教授19人，副教授18 人，博士生导师15人，硕士生导师30人，80%以上的教师具有博士学位。
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当入射电流方向相反时？
• 电流首先通过自由层，它被自由层极化生成与自由层磁化方向一致的极 化电流。 • 这个极化电流通过被钉扎层时也会对其产生STT，但是由于被钉扎层的 磁矩方向较稳定，不容易改变。 • 而与此同时，极化电流中的次自旋电子，即与自由层磁化方向相反的自 旋电子，会被被钉扎层反射回自由层，从而对自由层的磁矩产生STT作 用。 • 结果使得自由层与被钉扎层的磁化呈反平行排列。
STT诱导磁化反转所需要的临界电流
• 对于一个 CPP构型的 spin valve pillar (SPV) 结构，自由层的厚度的数 量级为 2nm, 临界电流密度为： 理论值: 实验值:
j 106 108 A / cm 2 j 107 109 A / cm 2
• 随着器件尺寸的减小，形状各向异性增加，因而由磁场来开关磁化强 度增加了困难。 CIM 将是一种自然的方式可以克服开关势垒。
自旋电子学系列讲座
（第4讲）
东南大学物理系 翟亚
什么是自旋角动量转移（STT ）效应?
H
H
hard soft
GMR & TMR: 磁化改变电流
能不能反过来呢?
自旋转移力矩：电流改变磁化！
自旋角动量转移效应 (简称STT效应)
• 当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜或金属磁性多层 膜中时，极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到 铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而对铁磁薄膜磁矩产 生自旋矩，引起铁磁薄膜磁矩的不平衡，使之发生转动， 进动甚至使磁化方向翻转。
• 尺寸越小，越容易达到临界电流值。
Nanopillars
如果样品是一个直径为2r，厚度为t的园柱状：IC ∝ r2 ，STT所产生的
有效场Heff∝I/r2 。 对于局域环形磁场效应，根据麦克斯韦公式，H=2I /(cr) 随着样品半径r的减小，r2的减小速度明显更快。必然存在一个临界半 径值ac，当r<ac时，STT产生的有效场大于局域环形磁场， STT效应占据 主导地位。 Hk c 1 c 4e M st 2 M s
a ( )( )(
)(
)
STT效应诱导磁化反转
• STT效应的理论研究开始于1996年。 • 第一次清晰地在最简单的Co/Cu/Co三层结构纳米柱中实验观测到 STT效应诱导磁化反转行为。 • 首次在具有钉扎层的ESPV中清晰地观测到STT诱导磁化反转行为。 • MTJ纳米柱中的STT诱导磁化反转效应。 • 临界电流的降低
Co/Cu/Co三层膜纳米柱中的STT诱导磁化反转效应
Co/Cu/Co纳米柱的结构为Cu (80nm)/Co (40nm)/Cu (6nm)/Co (2.5nm) 。微 加工刻蚀深度控制在底层Co的中间，如图(a)所示。微加工后的纳米柱的 扫描电镜图片如图 (b)，可以看出纳米柱尺寸约为60130 nm2。
STT诱导磁化反转所需要的临界电流
• H与磁性薄膜的易轴方向一致。可见随着H的增大，所需临界电流增 加。 • 这种临界电流与外加磁场的关系也是人们从实验现象中区别STT效应 诱导磁化反转（CIM）和局域磁场诱导磁化反转的重要手段之一。 • 要实现STT诱导磁化反转，第二个必须要满足的条件：外加电流必须 要垂直于磁性薄膜。对于MTJ结构，本身就满足这个要求；而对于 SPV而言，则必须是在电流垂直于平面构型(CPP)中才能观测到STT 效应。 • 需要满足的另一个条件是SPV或MTJ样品的尺寸必须小于100 纳米。 为什么？首先要知道目前的临界电流密度多大？
自旋电流的横向分量被吸收 ，纵向分量成为该层的整个自旋
dM dM M M H eff M aJ (M M p ) dt Ms dt Ms
磁进动示意图
I<IC I>IC I>>IC
Courtesy of Jonathan Sun
STT诱导磁化反转所需要的临界电流
2e I C ( )( )m( H H k 2 M S )
其中MS是自由层的饱和磁化强度；是磁矩进动的LLG方程中的阻尼系数；是 自旋电流的极化率，定义为=(I-I)/( I+I)；I和I分别代表主、次自旋极化电 流；m是自由层的总磁矩；H和Hk分别代表外加磁场和薄膜的各向异性场。
Theoretical prediction
• • Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1±L7 (1996). Berger, L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current. Phys. Rev. B 54, 9353±9358 (1996).
• 当电流较小时，即使它产生的STT能够克服磁阻尼矩，也只能使得磁 化M围绕易轴进行磁进动。 • 而当电流大于某一个临界值IC时，STT可以迫使M转过赤道位置，指 向相反方向，即引起磁化方向的翻转。 • STT诱导磁化反转效应需要满足的条件之一就是外加电流必须大于临 界电流IC。 • 基于宏自旋近似(Macro-spin approximation)，对于铁磁/铜/铁磁三层结 构，临界电流可以简单的由下面公式得出 ：
利用改变直接穿过SPV或MTJ的电流方向和大小，改 变磁化取向，形成高阻态和低阻态。
在临界电流处的自旋力 矩使两磁层磁矩平行和反 平行，R发生突变。 低场下两磁层磁矩反平 行，R达到最大。
LLG方程+自旋转移力矩
J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater., 159, L1 (1996)
自旋转移力矩
非极化电流 自旋极化电流 自旋极化电流 改变了自
非磁层 自由层
当外加电流穿过 SPV或MTJ的被钉扎层时，电流被极化为与被钉扎 层磁化一致的方向，即变为自旋极化电流。 极化电流穿过自由层时，它与自由层的磁矩之间产生角动量转换， 使得它对自由层的磁矩产生一个力矩， 迫使自由层的磁化方向向与被钉扎层磁化一致的方向转动，即使得 SPV或MTJ的磁化方向呈平行排列的趋势。