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。
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。
自旋电子学的发展及其应用
自旋电子学的发展及其应用自旋电子学是一种新兴的研究领域，它涉及到自旋在电子学中的应用。
自旋电子学的发展可以追溯到20世纪60年代，当时科学家发现自旋可以在半导体中传递电信号。
然而，这个领域的真正飞跃是在21世纪初，随着新型材料和技术的发展，自旋电子学开始迎来了蓬勃的发展。
本文将从自旋电子学的基础原理、材料和技术发展、以及自旋电子学在实际应用中的优势等方面，详细介绍自旋电子学的发展及其应用。
一、自旋电子学的基础原理自旋电子学是基于自旋的量子属性，研究自旋在材料中的行为和特性，包括自旋的产生、传输、控制和检测。
自旋是电子的一种固有属性，可以看作是电子围绕自身旋转的一种特殊运动状态。
自旋有两种可能的取向，即上自旋和下自旋。
在外磁场的作用下，上自旋和下自旋的能量不同，因此可以通过磁场来控制自旋的取向。
二、自旋电子学的材料和技术发展随着自旋电子学的不断发展，研究人员已经发现了一些材料，这些材料具有优异的自旋特性，例如：铁磁性材料、半导体材料、自旋霍尔效应材料等。
在技术方面，研究人员已经发明了一些新的技术，例如：磁隧道结构技术、磁电阻技术、磁性记忆技术等，这些技术为自旋电子学的发展提供了有力的支持。
三、自旋电子学的应用自旋电子学已经被广泛应用于电子学和信息技术领域，具有广泛的应用前景。
下面列举了一些自旋电子学的应用：磁性存储器：磁性存储器是自旋电子学应用的一种重要形式，它可以实现高速读写、高密度存储和低功耗等优点。
自旋电子器件：自旋电子器件是利用自旋电子学的原理设计的器件，它具有高速、低功耗、稳定性好等特点，可以应用于处理器、存储器和通信设备等领域。
自旋电子输运：自旋电子输运是指利用自旋电子学的原理，设计实现一些新型的电子器件和传感器，用于探测、测量和传输电信号，例如自旋电荷泵、自旋输运晶体管等。
自旋电子学在量子计算中的应用：量子计算是一种全新的计算方式，自旋电子学中的自旋量子位可以用来存储量子信息，实现量子计算。
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。
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。
材料物理学中的自旋极化电子学
材料物理学中的自旋极化电子学自旋极化电子学是材料物理学中一个重要的领域，自旋极化电子学主要研究的是材料中的自旋极化电子的性质及其在电子学和磁学方面的应用。
本文将从自旋极化电子的基本概念、自旋极化电子在材料中的性质、自旋极化电子学的应用及未来的发展方向等方面进行探讨。
一、自旋极化电子的基本概念在量子力学中，每个电子都具有一个自旋量子数，表示为s。
自旋量子数实际上是一个表示电子旋转方向的量子数，其只有两种取值，即上自旋和下自旋。
自旋极化电子指的是一种带有自旋的电子。
自旋极化可以通过磁场或磁性材料来实现。
自旋极化将电子分为两种类型，即自旋向上的电子和自旋向下的电子。
这两种电子在材料中的行为不同，因此自旋极化电子的出现为材料物理学提供了一种新的角度。
二、自旋极化电子在材料中的性质自旋极化电子在材料中的性质主要表现在磁性和输运方面。
磁性方面，材料中的自旋极化电子会对材料的磁性产生影响。
例如，当材料中存在大量自旋向上的电子时，材料会具有自发磁化性质，这种自发磁化性质被称为铁磁性。
当材料中存在自旋向上和自旋向下的电子数量相同时，材料会呈现顺磁性。
当材料中的自旋极化电子数量非常少时，材料不具有磁性。
输运方面，自旋极化电子在材料中的运动方式与常规电子有所不同。
自旋极化电子的自旋导致其在材料中的运动受到一定约束。
这种约束导致自旋极化电子在材料中的输运性质与常规电子有所不同。
例如，自旋极化电子具有spincurrent（自旋电流）特性，这种特性能够让其在材料中传输信息。
三、自旋极化电子学的应用自旋极化电子学是一门非常有用的学科，其应用涵盖了很多领域，例如电子学、信息技术等。
在电子学方面，自旋极化电子学为电子器件的制造提供了新的思路。
自旋极化电子器件可以与普通电子器件一起构成非常复杂的电子系统，从而实现更加智能且高效的电子器件设计。
在信息技术方面，自旋极化电子学的应用主要体现在记忆和存储方面。
例如，MRAM（磁阻随机访问存储器）利用了磁性自旋极化电子的特性，可以实现数据的快速存储和读取。
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。
自旋电子学与自旋电子器件简述知识分享
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 100190）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。
自旋电子学实验报告
⾃自旋电⼦子学摘要：⾃自旋电⼦子学主要研究电⼦子⾃自旋在固体物理中的作⽤用，是⼀一门结合次⾎血与微电⼦子学的交叉学科，其研究对象包括电⼦子⾃自旋极化、⾃自旋相关散射、⾃自旋弛豫以及与此相关的性质及应⽤用等。
基于电⾃自⾃自旋的⾃自旋电⼦子器件能⼤大⼤大提⾼高信息处理速度和存储密度，⽽而且具有⾮非易失性、低能耗等优点。
关键词：⾃自旋电⼦子学；磁电阻效应；⾃自旋阀；磁隧道结；脉冲激光沉积众所周知，电⼦子具有两个重要的内禀属性，即电荷和⾃自旋。
现代微电⼦子技术只利⽤用了电⼦子的电荷属性⽽而没有考虑电⼦子的⾃自旋特性。
实际上，⼈人们早在20世纪20年代就发现了电⼦子的⾃自旋特性，但直到发现材料的电阻率随着材料磁化状态的变化⽽而呈现显著改变的巨磁电阻效应并⽤用⾃自旋相关散射和双电流模型来解释之后，⼈人们开始认识到电⼦子⾃自旋的应⽤用价值。
对电⼦子⾃自旋的研究成为当今研究的⼀一个热点课题，并逐渐形成了⼀一个新的研究领域即⾃自旋电⼦子学（spintronics）。
⾃自旋电⼦子学中电⼦子的⾃自旋取代电⼦子电荷作为信息储存和传输的载体。
电⼦子的⾃自旋态具有较长的驰豫时间，更不容易被杂质或缺陷的散射破坏，⽽而且⾃自旋态也容易通过调节外部的磁场来进⾏行控制。
⼈人们正期待着利⽤用电⼦子⾃自旋⾃自由度来设计运⾏行速度更⾼高、能量消耗更低、功能多、⾼高集成的下⼀一代微电⼦子器件。
这种器件抛弃了电⼦子的经典特性，转⽽而利⽤用了电⼦子的量⼦子特性，因⽽而原则上将允许电⼦子器件的尺⼨寸进⼀一步⼤大⼤大的减⼩小，从⽽而进⼊入纳⽶米尺度的范围即量级，成为介观物理的重要组成部分之⼀一。
⼀一、磁电阻效应正常磁致电阻效应(OMR)为普遍存在于所有⾦金属(如 Au,Cu 等)以及半导体,合⾦金中的磁场电阻效应 ,它来源于磁场对电⼦子的洛伦兹⼒力。
该⼒力导致载流⼦子运动发⽣生偏转或螺旋运动,使得载流⼦子受到更多的⾮非弹性散射(来⾃自晶格以及各种⽆无序势),损失能动量,减⼩小了平均⾃自由程,从⽽而使电阻升⾼高。
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自旋电子学简介
今天，我们一起去听了王博士关于《自旋电子学简介》的讲座，通过这次的讲座，我
对自旋电子学有了更加深刻的认识。
在传统的微电子学中,一般是利用电子的荷电性由电场来控制电子的输运过程的,而
对电子的自旋状态是不予考虑的.为了能够进一步提高信息处理速度和存储密度,就必须
对电子的自旋加以利用,由此发展出一门新的学科———自旋电子学。
自旋电子学(Spintronics or spin electronics)，亦称磁电子学(Magneto—
electronics)，是一门结合磁学与微电子学的交叉学科。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。
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。
半导体自旋电子学器件的目的之一是利电子自旋和核自旋很长的相干时间，并基于半
导体器件来执行量子信息处理。用半导体实现量子计算机有很多优点，不仅仅因为它是固
体材料，可适合于大规模集成，而且通过量子约束可以自由控制其维度，并允许用外场，
如光、电或磁场改变其特性。本节将简介利用半导体中的自旋如何构造固体量子计算机的
基本原理。
半导体自旋电子学（spintronics）作为半导体物理发展的新分支，目前主要在两个
方面着重展开研究：半导体磁电子学和半导体量子自旋电子学。前者希望在最近的将来会
有实际的结果，后者则已成为21世纪的重要研究论题。半导体自旋电子学作为信息处理
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的一种新方案，在量子计算领域也将引起信息工程技术部门的极大兴趣。本文涉及十年来，
特别是近3年的研究进展，包括可能的技术应用和关于如何控制由磁性材料和半导体材料
组成的结构中与自旋有关现象。理解这些现象包括自旋注入、自旋相干和自旋驰豫等对于
设计和应用自旋电子学至关重要。
综上所述，自旋电子学是以研究电子的自旋极化输运特性以及基于这些特性而设计、
开发新的电子器件为主要内容的一门交叉学科，其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相
关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等．目前，自旋电子学无论是在基础研究，
还是在应用开发方面都为物理学、材料科学和电子工程学等领域的专家提供了一个能够大
显身手的新领域．按照美国加州大学Awschalom教授的观点 ，自旋电子学器件分为三个层
次：其一是基于铁磁性金属的器件；其二是将自旋注入半导体；其三则是单电子自旋器
件．Et前进入应用的器件(如GMR 自旋阀)还只处于第一层次．而且，对于自旋控制和自旋
极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段，对出现的各种新现象、新效应的理解基本上
还只能是一种“拼凑式”的半经典的唯象解释．因此，自旋电子学的发展还面临着很多更
大的挑战．利用电子的荷电性，人类在半导体芯片上创造了今天辉煌的信息时代；我们相
信，对电子自旋特性的理解和操纵，将给人类带来更为灿烂的明天。