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目前进入应用的器件(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
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采用量子隧穿效应 注入一种自旋，抽出另外一种
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P. Sharma, Science 307, 531 (2005).
（2）自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体， 会在界面和半导体内产生“累积” 自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡。 这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！
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自旋流与电流的比较
电流在时间反演下是奇的
自旋流在时间反演下是偶的
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自旋是电子的纯量子力学效应，是产生磁性物 质的重要物理起源。自旋和外界的相互作用远 比电荷的作用弱，因此具有更长的相干时间， 而且电子自旋取向构成一个双态量子系统，改 变电子自旋取向要比改变电子运动状态要容易 得多，快得多，因此可以利用电子的自旋自由 度作为信息的载体或量子位，从而可应用于量 子信息和量子计算方面
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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
kk kk x k i ijk j k3 k3 xk xk i ijk x j 3 p 3 x x
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自旋流的衰减和转向
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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.
[ xi , x j ] i ijk
[ pi , p j ] i ijk
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当电子波包处于高速或瞬变状态、或处于强外场 中、或在空间中高度局域时，电子的负能分量不能忽 略，电子波函数得还原成本来的四分量形式。此时不 但电子自旋张量的三维空间分量（即通常所说的电子 自旋）在起作用，而且自旋张量的时空分量（称为 “类自旋”）也要发挥作用。前者与电子的内禀磁矩 有关，后者与电子的内禀电矩有关。 相应地，此时的自旋电子学要推广成“相对论自 旋电子学”，此时不但要研究磁场对自旋极化电子输 运特性的影响和控制，还要研究电场对类自旋极化电 子输运特性的影响和控制，同时利用电场和磁场来操 纵电子的自旋张量自由度
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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.
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实验部分
一、自旋注入
二、自旋分离
三、自旋流
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（1）自旋注入
“使传导电子自旋极化” 即产生非平衡的自旋电子（占 有数） n↑ ≠ n↓
方法之一，光学技术。光取向或光抽运。
方法之二，电学自旋注入。（便于器件的 应用）
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偏振光极化
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自旋注入 欧姆接触
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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
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对于给定的环和一定能量的入射电子 ,荷电电流 和自旋流由外电场来控制 ,适当调节电场大小还可使 得自旋向上的入射电子经过环后极化方向变为向下
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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
spintronics
自旋电子学
张家祥 0410338 光信
王顺冲 0410292 物理学
康海洋 0410294 材料物理
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。 巨磁电阻的发现是自旋电子学发展的里程碑.1988年, 法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层膜中观察到, 当施加外磁场时,其电阻变化率高达50%,因此称之为 巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR).而对 反铁磁耦合的多层膜,需要很高的外磁场才能观察到 GMR效应,故并不适合于器件应用.