电子科技大学自旋电子学第一章
自旋电子学与自旋器件
自旋电子学与自旋器件自旋电子学是一门研究自旋电子在材料中运动和相互作用的学科，自旋器件则是通过利用自旋电子在材料中的特性设计和制造的电子器件。
本文将探讨自旋电子学的基本概念、自旋器件的分类以及其在现代科技领域的应用。
一、自旋电子学的基本概念自旋是电子的一种属性，类似于地球上物体的旋转。
电子的自旋可以看作是围绕其自身轴心旋转产生的磁矩。
自旋电子学研究的重点在于如何控制和利用电子的自旋，以实现信息的存储和传输。
在自旋电子学中，自旋电子可以被视为一种具有两个自旋态的粒子，即自旋“上”和自旋“下”。
通过施加磁场或利用特殊材料的相互作用，可以使电子在两种自旋态之间进行转换，这就是自旋翻转。
二、自旋器件的分类根据自旋器件的功能和工作原理，可以将其分为自旋阀、自旋场效应器件和自旋传感器。
1. 自旋阀自旋阀是利用自旋选择性的非磁性材料与磁性材料之间的界面耦合效应，实现电子自旋的注入和控制。
自旋阀可以用于构建自旋电子学器件中的自旋输运和调控单元。
2. 自旋场效应器件自旋场效应器件是一种利用电场调控电子自旋输运的器件。
它通过在材料中引入外加电场，调节自旋电子在材料中的能级分布，从而控制电子的自旋转变和输运。
3. 自旋传感器自旋传感器是一种利用自旋电子特性感测外部物理量或环境变化的器件。
通过监测自旋电子在材料中的状态变化，可以实现对温度、磁场、电压等物理量的测量和监测。
三、自旋电子学在现代科技领域的应用1. 自旋磁电子学自旋磁电子学是自旋电子学的一个重要研究方向。
它利用自旋自旋转变和磁性材料的相互作用，实现磁性存储器件和磁性传感器的控制与调节。
自旋磁电子学在信息存储、计算和通信等领域具有广泛的应用前景。
2. 自旋输运与量子计算自旋输运是自旋电子学的核心内容之一，其目标是实现自旋信息的传输与控制。
自旋电子学中的自旋传输和调控单元可以用于构建量子比特和量子电路，用于实现量子计算和量子通信。
3. 自旋电子学与磁效应材料自旋电子学与磁效应材料的研究相互关联，相互促进。
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”
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。
《自旋电子学》课件
探索自旋电子学在信息科学、纳米电子学和量子计算等领域的广泛应用。
自旋电子学的优势
详细阐述自旋电子学相较于传统电子学的优势和潜在价值。
自旋传输
1
自旋运输和操控
2
探索自旋如何在材料和器件中进行传输
和操控，为自旋电子学的应用提供支持。
3
自旋注入和探测
研究自旋如何被注入和探测，为后续自 旋运输和操控奠定基础。
自旋电场效应晶体管
介绍自旋电场效应晶体管的原理与设计， 展示其在信息处理中的潜力。
自旋器件
自旋触发器
介绍自旋触发器的原理与应用，探讨其在信息存储 和处理中的潜力。
自旋滤波器
详细阐述自旋滤波器的工作原理和应用场景，探讨 其在信息筛选中的优势。
自旋管
探索自旋管的原理与构建方法，展示其在自旋电子 学中的应用前景。
自旋电子学的未来
1 自旋电子学的发展趋 2 自旋电子学与量子计 3 自旋电子学在信息处
势
算的结合
理领域的应用
分析自旋电子学发展的趋 势和前景，展望未来的发 展方向。
探讨自旋电子学与量子计 算的结合，展示其在信息 处理领域的潜力。
详细介绍自旋电子学在信 息处理领域的具体应用， 展示其在实际应用中的优 势和挑战。
总结
自旋电子学的意义
总结自旋电子学的意义和重要性，强调其在信息科学领域的研究和应用价值。
自旋电子学的挑战
概述自旋电子学面临的挑战和难题，讨论未来的发展方向。
未来的方向
展望自旋电子学未来的发展方向，并提出进一步研究的建议。
自旋量子点
介绍自旋量子点的结构与特性，探讨其在量子计算 与信息处理中的潜力。
自旋电路与系统
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
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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.
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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
1-14 电子自旋
B
F1 电流 I
A F4
I 是电流强度；
A 是面积矢量.
F2
F3
转动
磁偶极子的磁矩：μ = I A
目录 上页 下页
磁偶极子在外磁场B中的势能：
U = −μ ⋅ B = −(μxBx + μ yBy + μzBz ) 或 U = −μB cosα = −μzB (以 B 的方向为z方向).
α
=
π
2
( μ 和 B 垂直) 时，U = 0 (势能零点).
s
)β
(
m
s
)
=
0
⋅
1
+
1
⋅
0
=
0
ms =−1/ 2
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三、自旋磁矩
目录 上页 下页
电子的轨道磁矩:
μ
=
−
e 2me
L
但是，相对论量子力学的处理表明，电子的自旋磁 矩和轨道磁矩的表达式具有不同形式.
电子的自旋磁矩：
μs
=
− ge
e 2me
S
其中， ge ≈ 2 (称为电子的朗德因子)
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二、自旋角动量
目录 上页 下页
1. 本征方程
对轨道角动量，有
⎧Lˆ2Y ⎩⎨LˆzY
= =
l(l m
+ 1) Y
2Y
(m
=
−l,
−
l
+ 1,
, + l)
假设自旋和轨道角动量具有相似的性质，则可以写出 如下的本征方程：
⎧Sˆ 2η = s(s + 1) 2η
⎨ ⎩
Sˆ
自旋电子学的原理及应用
自旋电子学的原理及应用自旋电子学是一种新型电子学，它有着非常独特的原理和应用。
与传统电子学不同，自旋电子学可以通过控制电子的自旋来实现信息的存储和传输，同时还可以用于磁性材料的设计和制造。
本文将从自旋电子学的原理和应用两个方面进行阐述。
一、自旋电子学的原理自旋电子学是通过对电子自旋的控制实现信息传递和存储的一种新型电子学。
自旋是电子的一种基本性质，类似于电子的电荷和质量，但与电荷和质量不同的是，自旋是一个量子数，它表示电子的自旋角动量。
自旋有两个方向，分别为“上自旋”和“下自旋”。
自旋电子学的基本原理是，通过控制电子的自旋，可以实现信息的存储和传输。
自旋的控制是通过磁场实现的。
在磁场的作用下，电子的自旋会发生偏转，进而产生一个“自旋极化”的效应，即自旋向上的电子和自旋向下的电子在数量上不再相等，这就为信息存储和传输提供了可能。
自旋电子学的另一个重要原理是磁性材料中的自旋极化。
磁性材料中的自旋由于磁相互作用而定向，进而导致自旋极化现象的产生。
这个现象可以被用于磁性材料的设计和制造。
二、自旋电子学的应用自旋电子学的应用广泛，涵盖了信息技术、材料科学和物理学等领域。
以下是自旋电子学的几个常见应用。
1. 磁存储器磁存储器是自旋电子学最为广泛的应用之一。
磁存储器的工作原理是基于磁性材料中的自旋极化现象。
利用磁场可以将磁性材料中的自旋定向，这就实现了信息的存储。
磁存储器具有容量大、读写速度快、耐久性强等优点，被广泛应用于计算机、移动设备等电子产品中。
2. 自旋电荷分离器自旋电荷分离器是一种能够将电子的自旋和电荷分离的器件，也是自旋电子学中的重要应用之一。
它的工作原理是通过一定的材料结构和电场作用，将自旋极化的电子在材料中运动时，自旋和电荷的运动方向不同，进而发生分离。
自旋电荷分离器具有快速响应、高效率、低功耗等优点，被广泛用于传感器、运算器等领域。
3. 磁电隔离磁电隔离是利用自旋电子学中的自旋-轨道耦合现象实现的一种隔离效应。
第6章_自旋电子学_1
GMR现象及解释
膜厚的影响
Co/Cu结构系统中GMR比率随着铜层厚度而变化
(from S.S. Parkin et al [22]). XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度下， Co/Ru 系统中 GMR比率随 着 钌（Ru） 间隔层的厚度 而变化 (S.S. Parkin et al ).
XIDIAN506LAB
巨磁阻发现
磁阻
• 几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场中物 质的附加磁阻（W. Thomson 于1857年发现） ，即 ρ ( H ) − ρ ( 0) MR = ρ ( 0) • 磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关，ρ依赖于 磁化M方向与电流I之间的夹角ϕ •ρ (ϕ) ~ ρ (90º)+Δρ cos2ϕ •Δρ/ρ ~ 2% •各向异性
XIDIAN506LAB
磁隧道结
d: nm V
F1
I
F2
CoFe / Al2O3 / Co
Transmission probability :
T∝e
− α d 2m * V h2
• 铁磁－绝缘体－铁磁隧道结
XIDIAN506LAB
磁隧道结
历史
• 1974, M. Julliere (a graduate student)发表实验文章 报道Fe/Ge/Fe 三层结构中 14% TMR 。提出一个简 单模型 (the paper became a sleeping giant). • 1982, IBM 报道在Ni/AlO/Ni 测到 2% TMR. • 1995, Moodera (MIT) and Miyazaki (Japan) 报道在 Co/AlO/Co 中测到 10% TMR . • 1998, DARPA launched MRAM solicitation • 1999, Motorola’s 128kB MRAM demo • 2003, IBM, Motolora, 4Mb MRAM chip demo • More than 10 startup MRAM companies formed. • MRAM becomes internationally recognized future technology
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电子自旋 的序幕
Fe Cr∼1nm Fe
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
皮特-克鲁伯格（德国） 第一章 导论
1988年，baibich在测量外延 Fe/Cr/Fe磁多层膜时，发现其 电阻值随外磁场变化而显著变 化，称为巨磁阻效应(GMR)。 揭示了自旋相关效应。
一系列铁磁金属(Fe，Co，Ni)及合金和贵金属(Cu，Ag，Au)或 3d，4d及5d非磁金属构成的多层膜----巨磁电阻效应(GMR)
第一章 导论
强的反铁磁耦合效应同时导致了一很高的饱和场Hs
FM1 NM FM2
伪自旋阀/ 赝自旋阀 (Pseudo Spin Valve, PSV)
自旋阀 (Spin Valve， SV)
与此相对照, 经典力学预言原子磁体虽然会在磁场中进动但
仍然保持随机取向, 因此磁偏转会导致束的加宽(但不会劈裂)。 因此,史特恩认为他的预想中的实验“如果成功的话, 将毫不 置疑地在量子理论和经典观点之间作出抉择。”
第一章 导论
实验发现：原子沿相反的方向， 等间距地朝两边偏转
研究表明：原子中存在磁矩 M ，
1912年于图宾根大学获得物理学博士学 位 1943年诺贝尔物理学奖--发展分子束方法 上所作的贡献和发现了质子的磁矩
第一章 导论
史特恩一盖拉赫实验装置图（1921年）
N
S
一束银原子束(由在炉子中加热到1000摄 氏度得到的金属蒸汽通过喷流过程形成 的) 用两个0.03毫米宽的狭缝准直后导入 3.5厘米长的偏转磁场内, 磁场强度约为 0.1 Tesla, 梯度为10 Tesla/cm。
反铁磁交换耦合 铁磁交换耦合
Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
第一章 导论
1991年，IBM实验室的 Parkin利用磁控溅射方 法制备了Co/Cu多层膜， 也发现大的巨磁阻效应。
S. S. P. Parkin, Appl. Phys. Lett., 58,2710– 2712, 1991
2P3/2
m
4/3
E
2p
2P1/2
3/2 1/2 –1/2 –3/2 1/2 –1/2
2/3
D2
D1
3s 钠黄线的反常塞曼分裂
第一章 导论
1/2 –1/2
2
第二节 自旋的产生和输运
一.斯托纳（Stoner）能带模型 理论要点：过渡铁磁性金属的d电子形成了窄能带，自旋 向上（ ）的电子和自旋向下（ ）的电子分别位于两个 次能带中，由于交换作用而产生的分子场使自旋简并的两 个次能带的能级发生了相对位移，出现了未抵消的自旋。
矫顽力极易受多种因素的影响，难以控制； 磁滞效应限制了器件灵敏度的提高
第一章 导论
1991年, Dieny提出了自旋阀结构，使GMR材料的应用 研究迈进了一大步
FeMn 15 nm FeNi 15 nm
Cu 2.6 nm FeNi 15 nm
Si
低饱和场的巨磁电阻效应, GMR~5%10%，饱和场10-30Oe
Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/150ÅFeMn/2 0ÅAg J.Appl.Phys.69(1991)4774
第一章 导论
能否进一步增加自旋阀磁电阻？ CPP结构; 纳米氧化层
CPP
CIP
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的 GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
未考虑交换作用
第一章 导论
考虑交换作用
1）铁磁材料的磁性起源于交换相互作用(Exchange interaction)。
第一章 导论
（2）3d能带的劈裂导致自旋向上和向下电子在费米面的状态密 度(DOS)的不同 （3）状态密度不同引起迁移率(mobility)不同:
电子输运理论：传导电子的散射几率正比于费米面附近的能态密度
但是除了认识到电子自旋对磁矩的贡献之外， 人们几乎从来没有意识到电子自旋有什么用 处。 电子的自旋翻转”Spin flip”和极短的spin-flip time 让自旋电子无法区分，也无从控制. 纳米技术和薄膜技术的发展
第一章 导论
1986年 Grunberg在Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度 （1nm）产生反铁磁耦合
磁性颗粒
磁颗粒膜
Phys. Rev. Lett. 68, 3745–3748(1992)
自旋积累
自旋积累的大小取决于 FM/PM界面上自旋注入率 和自旋翻转spin flip率
第一章 导论
电子的自旋取向相对稳定，在输运过程中，在与磁性杂质或
动态缺陷发生相互作用的时候----自旋翻转
自旋扩散长度（spin diffusion length):
vF : Fermi velocity
:Spin flip time
-
P -
E
-
-
+ + + +
+ + + +
N + + + +
+ + + +
自旋
M s 1.16530 1029Wb / m Mp
通过磁场操纵电子的自旋取向？
M
？
——自旋电子学
第一章 导论
自旋电子学 通过磁场等在介观尺度上调制自旋状态， 借助电子传导与磁性间的关联效应，实现 对电子输运特性的调制
——正常Zemman效应
荷兰物理学家Zemman
1902年 塞曼和洛伦兹获诺贝尔物理奖
第一章 导论
―反常”塞曼 (Zeeman)效应
1897年12月，普雷斯顿（T.Preston）报告称，在很多实验中 观察到光谱线有时并非分裂成3条
计及轨道磁矩 2p3/2 2p1/2
2p
D2
D1
钠原子D线精细光谱图
自旋取向无关的 弱散射
输运自旋非极化 的电子流
第一章 导论
铁磁金属
自旋简并的电子能带分裂成非对称的 结构（ N N ），自旋向上和向下 的电子具有不同的散射截面和电阻
自旋取向相关的 强散射
输运自旋极化的 电子流
磁性金属中能带的交换劈裂效应是自旋极化和自旋相 关散射的物理基础
第一章 导论
自旋极化率：
第一章 导论
第一节 电子的自旋的发现
一.塞曼（Zemman）效应 1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10 英尺的凹形罗兰光栅观察强磁场中的纳 火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出 现了加宽的现象。
当时的解释：由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩 方向在空间的取向是量子化的，根据洛伦兹电磁 理论，在强磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂 成间隔相等的3条谱线。
3s
钠黄线的反常塞曼分裂
仅用原子轨道磁矩是无法解释原子光谱的多重复杂 分裂。原子内还有一种也是分立的磁矩存在！
第一章 导论
二. 史特恩（Stern）-盖拉赫（Gerlach)实验
1921－1922年间 史特恩－盖拉赫实验
关于空间量子化的演示--关于电子自旋的第一个实验
第一章 导论
史特恩
盖拉赫
1912年 获得 Breslaub 大学物理 化学博士学位 在布拉格的爱因思坦 (Einstein) 的第一个学生
3d
4s
(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。
P=45%
P=100%
实验结果：
材料 Ni Co 45 Fe 44 Ni80Fe20 Co50Fe50 48 51 Co84Fe16 49
自旋极化率(％) 33
第一章 导论
2. 自旋积累(spin accumulation）和自旋扩散长度(spin diffusion length) 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
薄膜的电阻值随外加磁场的增加而减小， 室温下磁电阻变化率MR也有17% T=4.2K
Baibich，Phys. Rev. Lett. 61, 2472– 2475 (1988)
艾尔伯-费尔(法国)
ΔR/R=
第一章 导论
R(H=0)- R(H=HS) R(H=HS)
2007年诺贝尔物理学奖：皮特-克鲁伯格和艾尔伯-费尔
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
16 14 12
NOL
10
MR ( % ) 8 6 4 2 0 -2 -600
15%
8%
-400
-200
0 H ( Oe )
200
400
600
低饱和场的巨磁电阻效应,GMR~10%20%，饱和场10-40Oe
:Mean free path
第一章 导论
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 金、银、铜、铝 4.6nm 1-10m
0.6nm 1-10m
电子自旋相关散射是自旋电子学的核心！
第一章 导论
第三节 自旋电子学的发展 电子是电荷的载体，同时也是自旋的载体
∆R/R=15％ ( >10％ )
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
第一章 导论
1992年，A. E. Berkowitz和肖 强（J.Q.Xiao)教授分别发现了 Co-Cu颗粒膜中的巨磁阻效应。