磁学研究的特点与发展趋势
和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、 和表面 界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、独特的层间耦合以 界面物理的交叉 及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋-轨道耦合 轨道耦合、 及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋 轨道耦合、自旋相干性在这 里得到更突出的体现。一个典型的例子是对二维电子气系统（例如石墨稀） 里得到更突出的体现 。 一个典型的例子是对二维电子气系统 （ 例如石墨稀 ） 自旋流的产生与输运规律研究以及通过 Rashba 效应对二维电子自旋输运行 为的调控。另外一个例子是低维磁性问题的研究。 为的调控 。 另外一个例子是低维磁性问题的研究 。 当维度降低到可以与特征 关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。 关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。 与关联电子问题的交叉。关联量子现象的一个共同特征，是存在电荷、 与关联电子问题的交叉 。 关联量子现象的一个共同特征， 是存在电荷、 自 轨道、晶格等多种自由度或超导有序、磁性有序、电荷有序、 旋 、 轨道 、 晶格等多种自由度或超导有序 、 磁性有序 、 电荷有序 、 轨道有序 等多种有序相的共存和竞争。 等多种有序相的共存和竞争 。 关联量子材料发现的各种新颖的量子现象正是 来源于这些自由度或有序相的相互作用。在不同的材料或不同的外界环境中， 来源于这些自由度或有序相的相互作用 。 在不同的材料或不同的外界环境中 ， 不同自由度扮演的角色和重要性是不同的， 不同自由度扮演的角色和重要性是不同的 ， 这导致了关联量子材料丰富的量 子相态。探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律， 子相态 。 探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律 ， 研究关联电子系统 中各种自由度随参数改变而导致的电子结构的改变， 庞磁电阻效应 中各种自由度随参数改变而导致的电子结构的改变 ， 对于探索相关量子效应 的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。 的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。 多铁性现象 奇异表面/界面关联效应 奇异表面 界渡 现代磁学>>新磁学过渡 >>
经过近一个世纪的探索， 经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识逐渐趋于成熟 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲基本磁学理论已经 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题， 建立，对磁相关现象的认识不断深化，从表面到本质、从宏观到微观， 建立 ， 对磁相关现象的认识不断深化 ， 从表面到本质 、 从宏观到微观 ， 解 释也逐渐趋于完善。 释也逐渐趋于完善。 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、 磁化强度、电子自旋极化率。 磁化强度、电子自旋极化率。 有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料科学问题，而较少 有关传统固体软磁和硬磁性的研究， 已逐渐成为材料科学问题， 在凝聚态物理领域讨论了， 在凝聚态物理领域讨论了 ， 磁学研究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电 子学为标志的新磁学研究。 子学为标志的新磁学研究。 新概念 新效应 新规律
磁学研究的特点与发展趋势
2.更加注重自旋个体运动规律的探索 传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计 宏观统计行 传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计行 为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性 与此不同， 自旋的量子特性。 为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性。与此不同，现代磁学更 关心自旋的运动学与动力学行为 自旋个体的输运规律、 自旋的运动学与动力学行为， 关心自旋的运动学与动力学行为，自旋个体的输运规律、自旋弛豫行为以 自旋相干性的演变等 更加关注自旋的量子特性。 的演变等， 及自旋相干性的演变等，更加关注自旋的量子特性。 3.更加注重自旋态的多场调控研究 自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体,其关键是要达到对固态系 自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体 其关键是要达到对固态系 统中自旋自由度的有效操控。通过自旋--轨道耦合 自旋--电荷耦合及 轨道耦合、 电荷耦合及自旋 统中自旋自由度的有效操控。通过自旋 轨道耦合、自旋 电荷耦合及自旋 转移力矩效应，利用电场 光场结合磁场实现自旋态的调控， 电场、 转移力矩效应，利用电场、光场结合磁场实现自旋态的调控，而传统磁学 自旋霍尔效应的研究。 则主要利用磁场。一个典型的例子是自旋霍尔效应的研究 则主要利用磁场。一个典型的例子是自旋霍尔效应的研究。对非磁性半导 体施加外电场,自旋 轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流,同 自旋--轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流 体施加外电场 自旋 轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流 同 时在样品的两个边界处形成取向相反的自旋积累， 时在样品的两个边界处形成取向相反的自旋积累，利用这一物理效应可能 实现自旋累积，产生自旋流。 实现自旋累积，产生自旋流。另外一个例子是自旋极化电流对固态磁矩的 调控。当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁薄膜时,与多层膜磁矩的散射会 调控。当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁薄膜时 与多层膜磁矩的散射会 导致自旋角动量由传导电子到薄膜磁矩的转移,引起薄膜磁矩的不平衡 引起薄膜磁矩的不平衡,发 导致自旋角动量由传导电子到薄膜磁矩的转移 引起薄膜磁矩的不平衡 发 生转动、进动甚至磁化方向翻转。 生转动、进动甚至磁化方向翻转。椭圆偏振光对电子的选择性激发也是产 生自旋极化电流一种方式。 生自旋极化电流一种方式。
新磁学研究的特点与发展趋势
1.更加注重和其他学科的交叉融合 更加注重和其他学科的交叉融合 自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体， 自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体， 探索自旋运动规律，实现磁调控与电调控的有机结合。结合了磁性物理与半 探索自旋运动规律， 实现磁调控与电调控的有机结合。 导体物理的磁性半导体、 导体物理的磁性半导体 、 稀磁半导体是过去十年中凝聚态物理的重点研究方 向之一 与信息物理、技术的交叉。信息技术的关键是信息的存储、传输与处理。 与信息物理、技术的交叉 。信息技术的关键是信息的存储 、 传输与处理 。 磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术。同时， 磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术 。 同时 ， 以巨磁 电阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用， 电阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用 ， 以隧道磁电阻效 应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明:非 应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明 非 磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制,利用 磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制 利用 自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯， 自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯 ， 引领新一代信息技 术
磁学研究现状与发展趋势
孙 继 荣 广 西 . 北海 2010.12.16
报 告 内 容
现代磁学发展简史 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究方向 新磁学研究方向 举例
现代磁学发展简史
• 1894年 居里确定了顺磁磁化率与温度成反比的实验定律 年 居里定律） （居里定律） • 1905年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上，推导出 年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上， 年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上 居里定律 • 1907年外斯（Weiss）假设分子场，解释了自发磁化。 年外斯（ 年外斯 ）假设分子场，解释了自发磁化。 • 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小；不能说明分子 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小； 场的起源。 场的起源。 • 1924年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋 量子力学效应 年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋-量子力学效应 年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋 • 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制 交换作用 年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用 年海森堡揭示了分子场的微观机制 • 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型 过渡金属的非整 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型--过渡金属的非整 数磁矩
1.更加注重和其他学科的交叉融合 2.更加注重自旋个体运动规律的探索 3.更加注重自旋态的多场调控研究
磁学研究方向
1.自旋输运及自旋动力学问题 电子具有两个重要属性：电荷与自旋。很多重要的物理发现例如导电性、 电子具有两个重要属性：电荷与自旋。很多重要的物理发现例如导电性、超 导电性、巡游磁性、 导电性、巡游磁性、巨磁电阻效应及微电子器件的各种功能都和电荷输运过 程密切相关。 程密切相关。 自旋相关输运问题包括自旋流的产生、调控、输运规律、自旋相干性、 自旋流的产生 自旋相关输运问题包括 自旋流的 产生 、 调控 、 输运规律 、 自旋相干性 、 相应的检测方法技术的研究。 自旋动力学行为以及相应的检测方法技术的研究 自旋动力学行为以及相应的检测方法技术的研究。 稀磁半导体（包括氧化物稀磁半导体与常规稀磁半导体）的研究， 稀磁半导体（包括氧化物稀磁半导体与常规稀磁半导体）的研究，主要目 • 自旋 Hall 的之一就是为了获得高自旋注入效率 利用自旋—轨道耦合特性 采用电场控制不同自旋取向载流子的分布， 轨道耦合特性， 利用自旋 轨道耦合特性 ， 采用电场控制不同自旋取向载流子的分布 ， • 自旋热电 即自旋霍尔效应，也是一种获得自旋流的方式。新自旋流产生方法原理、 即自旋霍尔效应，也是一种获得自旋流的方式。新自旋流产生方法原理、技 术仍然是一个重要的研究课题 • 自旋注入 有机半导体因为其弱自旋--轨道耦合引起人们的极大关注 轨道耦合引起人们的极大关注， 有机半导体因为其弱自旋 轨道耦合引起人们的极大关注，在这里自旋具 有相当长的扩散距离。但是有机半导体的主要输运方式为极化子导电， 有相当长的扩散距离。但是有机半导体的主要输运方式为极化子导电，具有 • 新方法 强电--声耦合 常常产生不利影响。而常规稀磁半导体作为自旋载体， 声耦合， 强电 声耦合，常常产生不利影响。而常规稀磁半导体作为自旋载体，居里 温度常常过低。由此可见， 温度常常过低。由此可见，新自旋流载体探索是未来一个时期磁电子学研究 • 时间分辨 的关键 • 空间分辨 由于量子点的零维特性,电子的轨道态是量子化的 电子的轨道态是量子化的,电子自旋态由于自旋翻 由于量子点的零维特性 电子的轨道态是量子化的 电子自旋态由于自旋翻 转机制的有效抑制而变得十分稳定，被认为是量子比特的最佳选择。 转机制的有效抑制而变得十分稳定，被认为是量子比特的最佳选择。作为新 磁学的外延领域，低维体系的自旋动力学问题也应该得到进一步的关注。 磁学的外延领域，低维体系的自旋动力学问题也应该得到进一步的关注。