自旋电子学研究进展(磁学会议)
电子自旋与原子磁矩的相互作用研究
电子自旋与原子磁矩的相互作用研究引言：电子自旋与原子磁矩的相互作用是固体物理学中一个非常重要的研究领域。
自旋与磁矩的相互作用对材料的磁性质和电子输运性质有着深远的影响。
本文将探讨电子自旋与原子磁矩的相互作用的研究进展，及其在材料科学中的应用。
一、自旋-磁矩相互作用的基本原理自旋-磁矩相互作用揭示了电子自旋对原子磁矩的影响。
电子自旋是电子的一种内禀性质，可以近似地看作一个微观的带电体。
原子磁矩则是由电子轨道运动和自旋运动的叠加效应所产生的。
当电子自旋与原子磁矩相互作用时，会出现磁力的作用。
这种相互作用可以通过哈密顿量描述，而哈密顿量中的耦合常数称为交换耦合常数。
二、自旋-磁矩相互作用的研究方法为了研究自旋-磁矩相互作用，科学家们采用了多种方法。
其中最常用的方法包括磁共振技术、电子自旋共振技术和角分辨光电子能谱技术等。
这些方法可以直接或间接地观测到电子自旋和原子磁矩之间的相互作用过程，并提供了丰富的实验数据。
三、电子自旋与原子磁矩相互作用的应用自旋-磁矩相互作用在材料科学中有着广泛的应用。
通过研究自旋-磁矩相互作用，科学家们可以深入了解材料的磁性质和电子输运性质。
这些研究可以为新型材料的设计和合成提供理论指导，并促进磁学、电子学和信息技术等领域的发展。
例如，自旋-磁矩相互作用在磁存储领域具有重要的应用价值。
磁存储器件利用磁性材料的磁性来储存和读取信息。
在磁存储器件中，电子自旋与原子磁矩之间的相互作用是实现信息存储和读取的关键。
通过调控自旋-磁矩相互作用，科学家们可以设计更高效、更稳定的磁存储器件。
此外，自旋-磁矩相互作用还与磁体的磁性材料有关。
磁性材料的性质主要由材料内部的电子结构和自旋-磁矩相互作用所决定。
通过研究自旋-磁矩相互作用，科学家们可以深入了解磁性材料的磁性行为，并开发出具有特定磁性特性的新型材料。
另外，在纳米材料和自旋电子学领域，自旋-磁矩相互作用也有着重要的应用。
例如，通过控制自旋-磁矩相互作用，科学家们可以实现自旋电子的操控和传输，从而开展新型自旋器件的研究。
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。
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。
电子自旋与磁学的关系探究
电子自旋与磁学的关系探究近几十年来，磁学作为一门重要的科学研究领域，取得了许多令人瞩目的成果。
而在磁学研究中，电子自旋的作用和影响也日益受到重视。
本文将探究电子自旋与磁学之间的关系，从微观角度深入分析这一重要现象。
首先，我们需要了解什么是电子自旋。
在量子力学中，电子不仅具有电荷，还具有一个被称为自旋的特性。
简单来说，自旋可以理解为电子围绕自身轴心旋转所产生的磁性。
电子自旋有两种可能的取向，即自旋向上和自旋向下。
这一现象被描述为一个二值量，记作+1/2和-1/2。
电子自旋的存在导致了许多重要的物理现象，其中包括磁学。
磁学是研究磁性和磁场的科学，它对于现代物理学、材料科学和工程学都具有重要的意义。
磁性是物质特有的性质，是由微观粒子，尤其是电子的运动和自旋所产生的。
电子自旋在磁学中起到了至关重要的作用。
在磁性材料中，电子自旋的相互作用导致了磁性的形成和表现。
其中一个重要的磁学现象就是磁矩的产生。
磁矩是物质本身具有的磁性强度，它与电子自旋之间存在着紧密的联系。
当电子自旋取向不同的时候，它们产生的磁矩也不同，从而影响了材料的磁性。
除了磁矩，电子自旋还与磁场之间存在着相互作用。
磁场是由具有磁性的物质或电流所产生的力场。
根据量子力学的原理，电子自旋处于外磁场中时会发生能级的分裂，即所谓的Zeeman效应。
这一现象可以用来解释一系列与磁性相关的现象，例如磁化强度随磁场变化的趋势，以及磁性材料在外磁场下的磁化行为等。
电子自旋还与磁学中的磁畴墙等结构有关。
磁畴墙是磁化材料中相互抵消的局域磁矩所形成的区域边界。
电子自旋的相互作用导致磁畴墙的形成和演变，进而影响了材料的磁性。
通过研究电子自旋在不同磁畴墙之间的跃迁和相互作用，可以进一步深入了解磁学中的一些重要现象和行为。
此外，电子自旋还与磁学中的磁化动力学有关。
磁化动力学研究材料中的磁场和磁矩之间的快速相互作用。
电子自旋的改变和重组是磁化动力学过程中重要的一部分。
通过分析电子自旋的演化和变化，可以更好地理解磁矩的变动和磁性材料的反应行为。
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
12-318出品
理论部分 非对易量子力学
[xi , x j ]
i ijk
12-318出品
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
12-318出品
•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
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 ( % )
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VVrRn
波动方程解(布洛赫定理)：
布洛赫函数
rRn eikRnr
reikrur
urRnur
在严格的周期性势场下(绝对零度00K，完整的单晶)，前进的电子波 是完全“透明”的。一旦严格周期性势场被破坏( 如：温度升高原子的振 动，多晶体晶粒的晶界，晶体中的杂质或缺陷等 )电子波受到散射。
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
自旋极化度(％) 33 45 44
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。 自旋电子学研究进展(磁学会议)
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 自旋电子RP学研究进展(磁学会议)
二流体模型
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
↑↓ 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自向旋上电子和学向研下究进的展电(磁子学数会。议)
电子通过磁化的铁磁材料，产生自旋极化电子，极化电子有 向上和向下的两种载流子，利用自旋向上或向下两种载流子的特 性能否做成新的电子器件？更进一步能否利用四种载流子制造电 子器件？
自旋电子学研究进展(磁学会议)
电子在固体中的输运性质
晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动
2hm 2 2
VE
H ( Oe )
自旋电子学研究进展(磁学会议) ∆R/R=15％ ( >10％ )
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)
自旋电子学研究进展(磁学会议)
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
4
2
0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
纳米氧化层
16
14
12
NOL
10
15%
8
MR ( % )
NOL(Nanooxide layer)
6
4
8%
2
0
-2
-600 -400 -200 0 200 400 600
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
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
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
自旋电子现象研究进程
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
硬磁盘读出头的发展
2004年 ~170Gbit/in2
2000 100
预计不久到自1旋00电0子G学bi研t/in究2进,最展终(磁可学能会到议)50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/in2)
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
非磁金属Cu-GMR 绝缘体Al2O3-TMR
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
0.6nm
金银铜铝 1-10m
电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋 -轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。
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
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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)
↑↓
∆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 (Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增自加旋而电增子大学研究进展(磁学Pa会rk议in).et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒，平均自由程10nm。
非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒，相位干涉长度1m。
极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9 秒，自旋扩散 长度100m。
室温下自旋扩散长度
自旋向上↑ 自旋向下↓
钴 5.5nm
0.6nm
铁 1.5nm
2.1nm
FeNi 4.6nm
自旋电子学研究进展
自旋电子学研究进展(磁学会议)
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子Fra bibliotek二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻自T旋M电R子学研究进展(磁学会议)
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。
Si
MR=2.2 %
能否增加自旋阀磁电阻？ CPP; 纳米氧化层
Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/150ÅFeMn/20ÅAg
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
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(19自93)旋334电3 子学研究进展(磁学会议)