自旋电子学简介
二维材料的磁性与自旋输运
二维材料的磁性与自旋输运自旋电子学是一门研究自旋自由度在纳米尺度下的相互作用与输运性质的新兴学科。
随着纳米科技的飞速发展，人们对自旋电子学的研究和应用也越来越多。
二维材料作为一类具有特殊结构和性质的纳米材料，不仅具有优越的电学和光学性质，而且在自旋电子学方面也具有很大的潜力。
本文将重点讨论二维材料的磁性与自旋输运的研究进展和潜力。
二维材料是近年来备受关注的研究领域，一是因为它们具有高度可调节性和可控性，可以通过层叠和合成来实现对材料性质的调控；二是因为它们独特的二维结构导致了一系列新奇的物理和化学性质，如二维晶体的光学、输运以及磁性等。
其中，磁性是二维材料最具吸引力的性质之一。
二维材料的磁性主要表现为自旋有序和自旋磁共振等现象。
在二维材料中，电子的自旋可以通过相互作用形成自旋有序，从而产生宏观的磁性。
一些研究表明，二维材料中的自旋有序可以通过控制温度、外加电场和应变等手段实现，这为自旋电子学的研究和应用提供了新的途径。
除了自旋有序，二维材料还可以通过自旋磁共振来操控自旋信息。
自旋磁共振是一种通过微波辐射作用下的自旋与磁矩的共振现象，可以通过调节磁场和频率来实现对自旋磁共振的控制。
一些二维材料具有特殊的磁矩结构和自旋耦合效应，使得它们在自旋磁共振方面具有更好的性能和应用潜力。
自旋有序和自旋磁共振是二维材料磁性研究的重点，但与此同时，二维材料的自旋输运也备受关注。
自旋输运是指自旋信息在材料中传输和操控的过程。
由于二维材料具有特殊的物理结构和电子性质，它们在自旋输运方面表现出了一些独特的特点。
比如，石墨烯作为最早被发现的二维材料之一，具有高电子迁移率和优异的热传导性能，这使得它在自旋输运领域具有重要的应用前景。
在二维材料的自旋输运研究中，除了石墨烯，其他几种二维材料也显示出了很强的自旋输运能力。
比如，过渡金属二硫化物(TMDs)具有特殊的晶体结构和能带结构，使得它们在自旋输运方面表现出了独特的特点。
一些研究表明，TMDs可以实现自旋电子的寿命延长和自旋旋转的控制，这为二维材料自旋电子学的研究和应用提供了新的途径。
电子行业电子的自旋
电子行业中电子的自旋1. 引言电子是电子行业中最基本的粒子之一，其自旋是描述电子与磁场相互作用的重要性质。
在电子行业中，研究电子的自旋对于开发新型电子器件和实现更高效的电子技术具有重要意义。
本文将探讨电子行业中电子的自旋相关的概念、原理和应用。
2. 电子自旋的概念和基本原理2.1 电子自旋的定义电子是带有电荷和质量的基本粒子，而自旋是电子固有的角动量。
电子的自旋被量子力学描述为一个内禀角动量，其大小和方向由自旋量子数表示。
电子的自旋量子数可为$\\pm\\frac{1}{2}$，分别表示自旋向上和自旋向下。
2.2 电子自旋的测量电子的自旋无法直接观测，但可以通过测量其对应的物理量来间接获得信息。
例如，经典的Stern-Gerlach实验利用磁场梯度作用于电子，在均匀磁场中，电子的自旋会导致其在空间中分裂成两束，从而实现了对电子自旋的测量。
2.3 自旋与磁矩的关系电子的自旋与其磁矩密切相关。
根据量子力学的描述，电子的磁矩与自旋的关系可以通过以下公式表示：\begin{equation} \vec{\mu} = g \mu_B\frac{\vec{S}}{\hbar} \end{equation}其中，$\\vec{\\mu}$表示电子的磁矩，g是无量纲的Landé g因子，$\\mu_B$是玻尔磁子，$\\vec{S}$表示电子的自旋矢量，$\\hbar$是普朗克常数除以$2\\pi$。
3. 电子自旋的应用3.1 自旋电子学自旋电子学是利用电子的自旋来实现信息存储、传输和处理的新型技术。
与传统电子器件相比，自旋电子学具有更快的开关速度、更低的能耗和更高的集成度。
自旋电子学在存储器件、逻辑电路和传感器等领域有着广泛的应用前景。
3.2 量子计算量子计算是利用量子力学中的量子叠加和量子纠缠等特性来进行信息处理的新兴领域。
电子的自旋作为量子比特的候选之一，对于量子计算的实现具有重要意义。
研究表明，利用电子的自旋作为量子比特可以大幅提高计算速度和存储容量。
自旋电子学在量子计算中的应用研究
自旋电子学在量子计算中的应用研究自旋电子学是指利用电子的自旋性质进行信息的传递和处理的一项学科。
随着量子计算理论的进一步发展和技术的突破，自旋电子学作为一种潜在的量子计算方式备受关注。
本文将探讨自旋电子学在量子计算中的应用研究。
一、自旋电子学的基本原理自旋是电子的一种内在属性，类似于物理中的旋转。
在自旋电子学中，我们可以利用电子的自旋状态来表示量子比特（qubits），即量子计算的基本单位。
与传统的二进制位（bits）不同，qubits可以处于多个状态的叠加态，具备更强大的计算能力。
二、自旋电子学与超导量子比特的比较在量子计算中，超导量子比特是目前最为成熟且常用的一种实现方式。
然而，超导量子比特面临着一些技术和实用性的挑战，而自旋电子学则提供了一种潜在的解决方案。
首先，自旋电子学可以使用常见的半导体材料进行实验，相比于超导体材料更为易于制备和集成。
其次，自旋电子学具备更长的相干时间，可以更好地保持信息的稳定性。
三、自旋电子学在量子计算中的应用1. 自旋操控技术在自旋电子学中，我们可以利用磁场或电场对电子的自旋进行操控。
通过精确调整磁场或电场的强度和方向，可以实现自旋的精确旋转和控制。
这为量子门操作提供了基础。
2. 自旋之间的相互作用在量子计算中，量子比特之间的相互作用是必要的。
自旋电子学中，通过合适的设计和调控，可以实现不同自旋之间的耦合。
这使得我们可以实现量子比特之间的信息传递和计算。
3. 自旋的量子态读取量子计算中，高效准确的量子态读取是关键问题之一。
自旋电子学可以通过进行适当的测量，实现对自旋量子比特的读取。
这有助于我们了解自旋的状态，从而进行下一步的计算操作。
四、自旋电子学存在的问题与挑战与其他量子计算技术一样，自旋电子学也面临一些问题和挑战。
首先，自旋电子学中的自旋受到环境噪声的干扰，导致自旋的相干性降低。
其次，自旋电子学中的自旋操控和读取操作需要高精度的实验技术支持，技术要求较高。
未来，我们需要进一步研究和发展自旋电子学技术，克服其中的问题和挑战。
电子自旋共振与自旋电子学应用
电子自旋共振与自旋电子学应用自旋电子学是近年来兴起的一门新兴学科，涵盖了电子自旋共振及其在纳米电子学领域的应用。
电子自旋共振是一种利用电子自旋翻转来操控电子状态和信息传输的物理现象，被广泛应用于磁共振成像、量子计算和自旋电子存储等领域。
本文将深入探讨电子自旋共振的原理和自旋电子学的应用。
首先，我们来了解一下电子自旋共振的原理。
电子自旋是电子固有的性质，类似于一个微小的磁矩，它可以在外加磁场的作用下发生翻转。
电子自旋共振利用外加磁场的作用，通过传输电子翻转的状态信息。
当外加磁场频率与电子自旋共振频率一致时，电子将发生翻转，这种现象被称为电子自旋共振。
接下来，我们来看一下电子自旋共振在纳米电子学领域的应用。
纳米电子学是研究纳米尺度下的电子性质和器件的学科，具有重要的科学研究价值和广泛的应用前景。
利用电子自旋共振可以实现高灵敏度的磁共振成像技术，将其应用于医学诊断、材料科学和生物学研究等领域。
此外，电子自旋共振还可用于实现超强的量子计算和储存能力，为未来高效的信息处理提供了新的思路。
在实际应用中，电子自旋共振还存在一些挑战。
首先，如何有效实现电子自旋的精确控制和操控是目前的研究重点之一。
其次，如何在室温条件下实现高效的电子自旋共振仍然是一个难题。
此外，如何将电子自旋共振技术与传统的电子器件集成，以实现更加复杂的功能，也值得深入探讨。
随着科技的不断发展，电子自旋共振和自旋电子学在未来必将发展壮大。
研究人员们正在努力解决现有技术的局限性，并探索新的应用领域。
可以预见的是，电子自旋共振将为信息技术、生物医学和材料科学等领域带来巨大的突破和变革。
总结起来，电子自旋共振是一种利用电子自旋翻转来操控电子状态和信息传输的物理现象，具有广泛的应用前景。
自旋电子学作为一个新兴的学科，研究人员正在努力解决电子自旋共振的挑战，并探索新的应用领域。
相信在不久的将来，电子自旋共振和自旋电子学将为人类带来更多的科学发现和创新。
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。
自旋电子学与自旋电子器件简述
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 ）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。
物理学概念知识：电子的极化和电子自旋
物理学概念知识：电子的极化和电子自旋电子是组成全部物质的基本粒子之一，因此对电子的认识和研究对于我们了解物质的性质有着至关重要的作用。
其中最基础、也是最常见的电子概念之一就是电子的极化和电子自旋。
1.电子的极化电子的极化是指在一个外加电场的作用下，电子会产生一定的偏离或位移。
这种现象在材料、电内环境等领域都十分普遍，因此电子的极化也被广泛研究。
电场是由带电粒子或电荷产生的，电子作为带电粒子会受到电场的作用。
当一个外加电场来到一个介质或材料之中，电子就会发生分布式的移动，形成一个电场。
这种移动可能是永久的，也可能是暂时的。
当机械冲击、加热或磁场作用于物质时，电子的分布会产生一个特殊的偏离，就是极化现象。
电子极化具有一些独特的属性。
首先，它是向着电场均匀的方向运动的。
其次，它是由于物质内部分布的不均匀而引起电荷的分离；最后，当材料接收到外界电场的时候，电子极化会增强材料的电导率。
2.电子自旋电子自旋是指电子本身带有的一种角动量，在物理学中也被称为自旋角动量。
电子自身是具有电荷和质量的实体，但又不同于质点，因为电子同时具有自旋和轨道角动量。
在电子自旋的研究中，一个重要的杂志是Physical Review Letters。
电子自旋的核心概念是电子本身带有的量子数，用S表示，它的取值为1/2或-1/2。
电子的自旋是一个非常基本的量子属性，电子自旋量子数和电子自旋态的研究对于量子力学和量子信息学的发展有着非常重要的影响。
在电子自旋量子数的研究中，有三个基本的性质被人们所认识，分别是电子自旋角动量是不连续、分裂等于1/2、以及电子自旋具有复合性。
在实际应用中，电子的自旋被用于磁共振成像、量子计算和电子学等领域。
所以，电子的极化和电子自旋均是电子在物理学中广泛研究的基本概念。
了解电子的极化和自旋对于我们更好地理解物质的本质和性质有着基础性的重要性。
磁斯格明子的动力学及在自旋电子学中的应用
磁斯格明子的动力学及在自旋电子学中的应用磁斯格明子的动力学及在自旋电子学中的应用自旋电子学是一门研究自旋运动在固体中的物理现象的学科。
在过去的几十年里，磁性材料和磁性器件一直是研究的热点。
磁斯格明子作为自旋电子学的重要现象之一，具有广泛的潜在应用价值。
本文将从磁斯格明子的动力学和在自旋电子学中的应用两个方面进行探讨。
磁斯格明子是凝聚态物理学中的一种拓扑激发，存在于二维自旋系统中。
它是一种形成自旋涡的激发状态，在材料中表现为一个局域化的磁性激发。
磁斯格明子的出现与材料中的拓扑结构密切相关。
拓扑结构是指物理系统的几何形态在连续变形下不变的性质。
在自旋系统中，磁性材料的拓扑结构可以通过斯格明子拓扑数进行描述。
斯格明子拓扑数是描述材料电子能级的一种拓扑不变量，它反映了电子态的拓扑性质，是判断磁斯格明子的存在与否的重要指标。
磁斯格明子的动力学是研究磁性材料中自旋激发的运动规律和响应行为。
磁斯格明子的运动受到自旋-自旋相互作用、晶格振动和外加磁场等因素的影响。
通过理论模型和数值模拟，科学家们发现磁斯格明子在材料中的移动速度和稳定性可以通过调控这些因素来实现。
例如，利用外加磁场可以改变磁斯格明子的轨道运动，进而实现信息传输和信息存储。
此外，晶格振动对磁斯格明子的运动也起着重要的影响。
研究表明，调控晶格振动可以有效地控制磁斯格明子的形态和稳定性，有利于其在自旋电子学中的应用。
磁斯格明子在自旋电子学中具有广泛的应用潜力。
首先，磁斯格明子可以作为自旋位的载体，用于存储和传输信息。
利用磁斯格明子的拓扑性质，可以实现信息的高速传输和低能耗的存储。
其次，磁斯格明子的运动还可以被用于制备高速自旋波逻辑门。
自旋波逻辑门是一种用于实现低能耗、高效率的信息处理的装置。
磁斯格明子作为自旋激发的一种形式，具有较长的寿命和稳定性，可以实现高速、低能耗的自旋波逻辑运算。
因此，磁斯格明子在量子计算、自旋电子传输和信息处理等领域有着重要的应用前景。
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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。
二、自旋电子学的物理学原理和挑战对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。
另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。
在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。
自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。
事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。
这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。
尽管对自旋电子学的基本原理和概念的研究非常令人感兴趣，但在人们能够制造出自旋电子学应用器件之前，还有许多障碍需要克服。
例如，自旋电子学的一个基本要求是在电子材料中产生和保持大的自旋极化电流到很长的时间。
要实现这一点尚需继续努力才能完成。
事实上，把足够大的自旋极化电流引入半导体材料也是一个问题。
以此类似，对于量子计算，人们要求精密的控制自旋纠缠及利用局域磁场操纵单一自旋。
对此，虽然已经提出许多设计方案，但至今尚没有特别好的想法。
很清楚的是，对于一个崭新的领域，总是机会与挑战并存。
在自旋电子学的应用变成现实之前，确实有大量的基本物理问题需要研究。
有关自旋电子学的物理学基础和应用问题的研究现状，有兴趣的读者可以参看最近刚刚发表的一篇极好的评述文章：Zutic′, Fabian, and Das Sarma: Spintronics: Fundamen- tals and applications，Rev. Mod. Phys., 76, 323-410，April 2004。
三、两个主要研究领域半导体自旋电子学研究可分为两个领域：即半导体磁电子学（SME）和半导体量子自旋电子学（SQSE）。
SME: 这一领域主要利用磁半导体或半导体与磁性材料的组合，把磁性功能引入半导体以执行一些新的功能。
例如，可以实现光隔离器、磁传感器和非挥发性的存储器等半导体器件与平常的半导体器件和电路的集成。
如果磁性和自旋可以通过光或电场来控制，就可以发展出全新的、以前尚没有的功能器件，这是一种磁-光-电一体化的新器件。
SQSE: 这一领域主要集中在利用半导体中自旋的量子力学特性。
例如，由于非磁半导体中有各种类型的自旋，它们具有比电极化长得多的相干时间，并可以用光或电场控制，这就比较容易把自旋作为一种量子力学实体来操纵。
这些性质使它们本身可以发展出固体量子信息处理器件。
从这个意义上看，半导体中的自旋正在预示一个经典物理、量子物理和技术部门的新领域。
关于以上两个领域的有代表性的新器件及其应用的研究进展，将在第五节作简要介绍。
四、自旋电子学的物质基础－磁性半导体新材料的研究开发稀磁半导体：传统的半导体电子学所依赖的材料是Si、GaAs和InP等非磁性半导体。
在通常（体材料）条件下，它们中间的载流子（电子或空穴）自旋“朝上”与“朝下”的数目一样多，因此不存在自旋极化电流，在自旋电子学中似乎派不上用场。
如果在非磁性半导体中加入过渡金属磁性原子或使其尺寸缩小到出现量子约束效应（纳米范围），自旋自由度就会突出起来。
早在上世纪80年代，人们就已开始对掺入过渡金属的半导体，即所谓稀磁半导体（DMS）开展研究（Semiconductor&semimetals,vol.25 (1988)）。
当时主要集中在II-VI族半导体，如(CdMn)Te和(ZnMn)Se。
本课题组在上世纪80年代末也曾经研究过(ZnMn)Se DMS在铁磁相和反铁磁相的自旋极化能带结构、磁矩和交换相互作用机制，这是属于比较早的理论研究成果（J.phys:C1-5371(1989)），但当时还没有铁磁相转变的实验报道。
在II-VI族半导体中，II 族元素是用相等价数的磁性过渡金属原子来替代的。
这就使得它可以达到磁性原子的高密度结合，从而制造出量子结构。
在II-VI DMS中，由于非磁原子的s和p轨道与磁性原子的d 轨道之间的交换相互作用（sp-d相互作用），使其光学特性，如Faraday效应等会因磁场而得到很大的调制。
但是在II-VI半导体中，人们很难通过掺杂控制其电导，就是因为这个原因，II-VI族化合物半导体用作电子材料遇到了重大障碍。
虽然II-VI DMS通常表现出反铁磁性、自旋－玻璃性质和顺磁性，但最近已报告一种p-调制搀杂的II-VI DMS量子阱结构，(Cd0.975Mn0.025)Te，观察到Tc ≤1.8K的铁磁性（PRL79-511(97)）。
虽然能够出现铁磁态是半导体自旋电子学应用所期待的性质，但这个铁磁转变温度太低，并不实用。
III-V铁磁半导体：在III-V半导体中，磁性杂质的平衡溶解度是很低的。
在通常的晶体生长条件下，不可能在其中引入高密度的磁性原子。
1989年，已经有人用低温分子束外延方法（LT-MBE），造成非平衡生长，成功的抑制了Mn的表面分凝并形成第二相，使得他们可以进行InAs和Mn的合金的外延生长(PRL63-1849(1989))。
随后，就在p-type (In,Mn)As中发现了铁磁性(PRL68-2664(92))。
1996年，成功生长了一种GaAs基的DMS，(Ga,Mn)As，并报告了p-type (Ga,Mn)As的铁磁性转变(APL68-2744(96))。
至今，(Ga,Mn)As的最高铁磁转变温度Tc已达110～150K（依赖于Mn的浓度）。
本课题组最近通过计算机模拟计算研究了GaAs和GaP掺入过渡金属（TM）V, Cr, Mn, Fe, Co 和Ni的DMS，发现掺V、Cr 和Mn的材料具有铁磁性，掺Fe是反铁磁的，而掺Co和Ni只有微弱的铁磁性（将在CPL 发表（2004））。
由于(Ga,TM)As可以在GaAs衬底上外延，而且与GaAs/(Al,Ga)As量子结构是可兼容的。
因此，它们就成为研究半导体自旋电子学的一个不可缺少的材料。
同时，也是近几年研究十分活跃的材料。
室温铁磁半导体:为了提高转变温度Tc到室温以上，按照平均场模型，最实质性的是应该增加磁性原子的密度x和空穴密度ρ，而且必须满足x.> ρ。
例如，对于(Ga,Mn)As，如果空穴密度是ρ＝3.5x1020cm-3，这是x=0.053时可以达到的，如果要使Tc达到室温以上，可以把Mn的密度增加到x=0.15。
在宽带隙半导体如GaN或ZnO中，假定也可以达到像在(Ga,Mn)As中那样的水平，我们就可以期望它会有更高的Tc。
这是因为组成晶体的原子质量较轻且有较小的晶格常数a，其结果是自旋－轨道相互作用较小，载流子的有效质量大，因而有大的p-d交换相互作用。
为了设计室温以上的铁磁半导体，人们首先采用第一性原理方法进行计算机模拟，计算结果表明，（1）基于宽带隙半导体的DMS有稳定的铁磁性；（2）当ZnO掺入高浓度的过渡金属时，有如下结果：掺入Mn时，得到反铁磁性；如果同时加入空穴，则得到铁磁性。
掺入V, Cr, Fe, Co, Ni时得到半金属铁磁性；掺入Ti, Cu时，得到顺磁性。
（3）在GaN中掺入V, Cr,和Mn时，有稳定的铁磁态。
最近还提出一种调制掺杂的超晶格，其阱区由II-VI DMS (Cd,Mn)Te组成，基质原子可以由磁性原子替代，其势垒区由掺碳的III-V族化合物AlAs组成。
已经用第一性原理方法证明，由C受主提供的空穴在(Cd,Mn)Te区积累可以得到稳定的铁磁态(PRB63-195205 (2001))。
此外，Tc高于室温的材料还有，II-IV-V2 黄铜矿化合物(Cd1-xMnx)GeP2，Tc=320K；(Zn,Co)O的Tc=290-380K。
TiO2:Co有室温铁磁性。
闪锌结构的CrAs和CrSb有超过400K 的Tc。
但是，将来还能不能进一步发展，仍然存在一些疑问。
非磁性半导体结构的自旋性质：非磁性半导体的体材料虽然不存在自旋极化，但是非磁性半导体的量子结构仍然是半导体自旋电子学器件的重要组成部分。
这就需要研究其电子和空穴的自旋性质。
事实上，与铁磁性半导体的发展一起，对非磁半导体结构自旋性质的了解和操作能力，在最近十年也有很大的进展。
这里将简要介绍非磁半导体中用于电子学的、与自旋有关的现象。
主要包括量子结构中的自旋注入，自旋驰豫和自旋退相干，自旋输运以及核自旋问题。
这些也是半导体自旋电子学中最核心的概念和技术。
1、自旋注入自旋注入是发展自旋电子学的一个关键要求。
人们曾经分析过“FM金属/2维电子半导体/FM金属”结构在扩散区的自旋注入。
研究发现，由于2维半导体夹层的电阻较高，其电导是不依赖于自旋的，当铁磁体的磁化由平行变为反平行时，电阻的整体变化很小。