磁电子学

φ1 > φ 2
ρ1
ρ1φ12 + (1 − ρ1 )φ 22
φ 1φ 2
G =
e h
∑
i
T i = CT
φ 12 φ 1 两电导率之差： K = ρ − + (1 − ρ 1 ) 1 2 φ2 φ2
不妨设：
ρ
1
=
1 2
得出，在
φ1 > φ 2
时，K>0。
讨论
1. CIP，CPP模型的建立都是建立在弹性散射的基础上。实际上，局 ， 模型的建立都是建立在弹性散射的基础上。 模型的建立都是建立在弹性散射的基础上 实际上， 域磁矩对s电子的散射是非弹性的 电子的散射是非弹性的。 域磁矩对 电子的散射是非弹性的。 2. 实际局域大自旋对自旋电子的非弹性散射，会导致传到电子的自旋 实际局域大自旋对自旋电子的非弹性散射， 方向发生变化， 方向发生变化，使得其出射电子的自旋方向与局域大自旋方向一致 。 3. 我们换个角度考虑，既然局域大自旋可以改变自由电子的自旋方向 我们换个角度考虑， 说明其对电子有力矩的作用，翻过来， ，说明其对电子有力矩的作用，翻过来，如果自旋极化电流足够强 应该可以使局域大自旋的方向有轻微扰动。 ，应该可以使局域大自旋的方向有轻微扰动。这一现象其实就是自 旋转移力矩现象。 旋转移力矩现象。
磁电子学
组员：赵聪鹏，邹国寿，张南，何中凯，胡兵，黄硕，唐龙， 赵亚楠，孙婧，吕可非，李亚萍
L/O/G/O
目录
• • • • 简介 铁磁体 磁电子学的发展 GMR效应两种机制模型的建立以及定性分 析
简介
• 电子不仅仅是电荷的载体，也是自旋的载体。 • 对于铁磁体来说，当无外加磁场时，由于交换劈
裂会出现自发磁化。 • 外加磁场对其进行磁化后，会出现磁化强度与外 场方向一致的畴。 • 其根本原因是：电子自旋被外磁场极化。经典的 可以理解为电子在外场作用下其总磁矩（角动量） 绕外场方向做进动，使得材料整体的合磁矩在外 场方向上不为0，且为一较大的值。由于自旋间 存在相互作用，导致了材料内部的磁化取向决定 了内部电流自旋方向，同时自旋的电流对磁化强 度的方向也有影响，后者被称之为自旋转移力矩。
铁磁体的相关知识复习
• 铁磁性起源：过渡金属中的两种机制的竞争。 • 铁磁体模型：1.自由电子Stoner模型
h 2k ε (k ) = 2m
2
+ σ
z
∆ 2
2. s-d模型 最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩 模型(最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩 模型 最初用来解释非磁性母体里参杂少量磁矩)
自旋转移力矩的发现
• 1996 年，美国卡内基梅隆大学物理系教授L. Berger和IBM Thomas. J. Waston研究中心的Slonczewski各自独立地提出通过铁磁体的极化电流的传 导电子在受到铁磁体内的局域磁性电子作用的同时，由作用的相互性，局域 磁性电子也将受到传导电子作用。传导电子与局域磁性电子通过这种相互作 用交换角动量，即将有部分角动量从传导电子传到铁磁体的局域磁性电子， 这等效于传导电子对局域磁性电子施加了一种力，这种力一般称之为自旋转 移力矩（spin-transfer torque STT）。传导电子与局域磁性电子之间的这种 相互作用一般被理解为”s-d”交换作用。 Berger 和Slonczewski 都认为只要入射极化电流密度足够大将在铁磁体产生 自旋波激发或磁化强度无衰减进动。Slonczewski 还认为甚至可以翻转铁磁 体的磁化强度-电流诱导磁化强度翻转(current-induced magnetization switching CIMS)。自旋转移力矩除了在磁化强度翻转方面有很好的应用前景 ，同时它诱导的自旋波激发将大大扩展其应用范围。这种将直流电转变为交 流信号的能力使它可以被用作信号发生器，信号处理器（通过激发使自旋波 放大、产生纳米范围的微波源），而且能用电流密度的大小控制信号的频率 。
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, “Spin transfer torques”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
GMR效应 效应
电流平行于平 面
CIP
电流垂直于平 面
CPP
CIP机制模型建立 机制模型建立
σ
=
•
CPP机制模型建立 机制模型建立
• 每个磁性层当做对电子输运过程的势垒。 • 自旋相同的透射率为： φ 1 自旋不同的透射率为： φ 2 • 自旋向上的电子所占比例为： ρ 1 向下电子所占比例为： 1 − 1. 两磁性层磁化方向平行时，总透射率为： 2. 两磁性层磁化方向反平行时，总透射率为： 根据介关量子输运理论： 2
H e ff = H e x t
2Ku 2 Aex 1 ˆ ˆ + n ( n ⋅ M ( r )) + ∇ 2M + µ 0 M s2 µ 0 M s2 4π
∫d
3
r′
3( M ( r ′ ) ⋅ x ) x − M ( r ′ ) x x
5
2
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, “Spin transfer torques”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
磁电子学的发展
1.1970s-1980s Berger预言了自旋转移力矩可以使磁畴筹壁发生移动。而后 预言了自旋转移力矩可以使磁畴筹壁发生移动。 预言了自旋转移力矩可以使磁畴筹壁发生移动 其实验小组在铁磁性薄膜中加以大的电流脉冲，观察到了磁畴畴壁的移动。 其实验小组在铁磁性薄膜中加以大的电流脉冲，观察到了磁畴畴壁的移动。 2.Grünberg小组通过研究 小组通过研究FeCrFe系统，发现了两铁薄层的反铁磁相互作用。 系统， 小组通过研究 系统 发现了两铁薄层的反铁磁相互作用。 之后不久，其小组与Fert小组发现了巨磁电阻效应而获 年诺贝尔学奖。 小组发现了巨磁电阻效应而获07年诺贝尔学奖 之后不久，其小组与 小组发现了巨磁电阻效应而获 年诺贝尔学奖。 3.早期研究较多的是 早期研究较多的是CIP机制，而后由于 机制， 机制的发现。 早期研究较多的是 机制 而后由于1991年CPP机制的发现。更多的研究 年 机制的发现 集中在CPP机制上，因其自旋翻转比较明显。 机制上， 集中在 机制上 因其自旋翻转比较明显。 4.1990年，Parkin等人发现两层间的耦合作用随中间层的厚度的变化而变化。 年 等人发现两层间的耦合作用随中间层的厚度的变化而变化。 等人发现两层间的耦合作用随中间层的厚度的变化而变化 确定了该耦合作用是通过中间层电子为媒介的交换相互作用 5.1989年，Slonczewski计算了中间层为绝缘层的其他两层间相互作用。他通过 年 计算了中间层为绝缘层的其他两层间相互作用。 计算了中间层为绝缘层的其他两层间相互作用 检测通过中间绝缘层的电流来计算其另外两层间的耦合作用得到： 检测通过中间绝缘层的电流来计算其另外两层间的耦合作用得到：隧道结两端加 0偏压时，电流流过隧道结时，另外两电极内的磁化强度总是非共线的，这个交 偏压时，电流流过隧道结时，另外两电极内的磁化强度总是非共线的， 偏压时 换相互作用原因被认为是自旋电流的角动量转移给了层内部的每个磁矩。 换相互作用原因被认为是自旋电流的角动量转移给了层内部的每个磁矩。
7.2000年，M. Tsoi等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位。 年 等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位。 等人检测了自旋力矩驱动的磁化强度进动与交变的磁场的相位
8.2003年，S.I. Kiselev等人开始进行直流产生的自旋力矩引起的高频磁化强度进动的稳 年 等人开始进行直流产生的自旋力矩引起的高频磁化强度进动的稳 定态的直接测量。 定态的直接测量。 9.同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究。中间层位氧化铝，氧化镁 同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究。中间层位氧化铝， 同时磁性隧道结结构中的自旋转移力矩同样被广泛的研究 的研究较多
自旋转移力矩应用-MRAM 自旋转移力矩应用
MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非挥发性的磁性 随机存储器。 非挥发性” 随机存储器。“非挥发性”是指 关掉电源后， 关掉电源后，仍可以保持记忆完 随机存取” 整；而 “随机存取”是指中央处 理器读取资料时， 理器读取资料时，随时可用相同 的速率， 的速率，从内存的任何部位读写 信息。 信息。 MRAM运作的基本原理与 运作的基本原理与 硬盘驱动器相同。 硬盘驱动器相同。和在硬盘上存 储数据一样， 储数据一样，数据以磁性的方向 为依据，存储为0或1。它存储的 为依据，存储为 或 。 数据具有永久性， 数据具有永久性，直到被外界的 磁场影响之后， 磁场影响之后，才会改变这个磁 性数据。 性数据。它拥有静态随机存储器 （ SRAM）的高速读取写入能力 ） ，以及动态随机存储器DRAM） 以及动态随机存储器 ） 的高集成度， 的高集成度，基本上可以无限次 地重复写入。 地重复写入。 用大电流直接垂直通 过自旋阀， 过自旋阀，由大电流 产生的涡旋磁场来翻 转磁畴。 转磁畴。 电流通过自旋阀， 电流通过自旋阀，翻 转磁畴的诱导力不是 电流产生的磁场， 电流产生的磁场，而 是自旋转移力矩 用外磁场来翻转磁化 强度， 强度，如通常的自旋 阀三层膜结构。 阀三层膜结构。
S
D.C. Ralpha, M.D. Stiles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J]2008,320:1190–1216
电流诱导自旋转移力矩
• 我们上面锁讨论的均为电流诱导对自由层磁化强度自旋转移力矩。 我们上面锁讨论的均为电流诱导对自由层磁化强度自旋转移力矩。 • 当外加恒定外磁场时，电流诱导的自旋转移力矩随着电流增大，会出 当外加恒定外磁场时，电流诱导的自旋转移力矩随着电流增大， 现以下三种情况：含有阻尼衰减磁化强度进动， 现以下三种情况：含有阻尼衰减磁化强度进动，稳定的磁化强度进动 磁化强度反转。 ，磁化强度反转。 • 无外磁场时，通过调节电流方向可以实现对磁化强度方向的控制。 无外磁场时，通过调节电流方向可以实现对磁化强度方向的控制。