目前超大规模集成电路上元件的密度已达 107 108 / cm2 ， 器件尺寸已接近目前公认最小尺度 20 nm，要想突破这 个尺寸限制，就必须利用电子的自旋,把自旋作为信息储 存、处理、输运的主体。 自旋电子学是基于操纵和控制自旋的电子学，它或将自旋 (或磁性)作为信息的载体，通过电流或电压进行操控;或将 自旋或磁场作为操控电荷或电流信息的手段。操纵电子自 旋是指控制自旋的布居，或操控载流子集合的自旋取向， 或对单个电子或少数电子自旋进行相干操控。自旋电子学 可同时利用电子的自旋和电荷的性质，以实现电子学的功 能或量子计算。自旋电子学的研究对象包括电子的自旋极 化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此的应 用也得到了快速发展。
软磁材料： 在工业化潮流的推动下，上个世纪早期低矫顽力的软磁 材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡莫合金等软磁材料。 在无线电技术需求的推动下，40年代又发展了适用于射频 的磁粉介质、铁氧体材料，特别是后者，为电子技术带来 了翻天覆地的变革。 永磁材料： 金属永磁体，碳钢、钨钢及钴钢等。 铁氧体 稀土永磁材料 永磁材料在微波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工 业、国防和日程生活等各领域的应用极为广泛。
自旋电子学器件的三个层次 按照美国加州大学 Awschalom 教授的观点，自旋电子学器件 可分为三个层次： 基于铁磁性金属的器件； 自旋注入半导体器件； 单电子自旋器件。
目前进人应用的器件 (如 GMR 自旋阀)还只处于第一层次， 对于自旋控制和自旋极化输运的了解处于较为肤浅的阶段， 对各种新现象、新效应的理解基本上只是半经典的和唯象的。 因此，自旋电子学的发展还面临很多更大的挑战，当然，机 遇与挑战是并存的。
现代磁学向新磁学的过渡
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。 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。 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。
一、基于铁磁金属的自旋电子器件
巨磁电阻(GMR)效应
铁磁金属与合金的饱和磁致电阻值很小，只有约 1%一 5% 。 1988 年， Fe/Cr金属多层膜在外磁场中电阻变化率高达 50%的巨磁电阻效应(GMR) 被发现，各国科学家开始从理论和实验上对多层膜 GMR效应展开了广 泛而深人的研究。 GMR产生机制取决于非铁磁层两边的铁磁层中电子 的磁化 (磁矩)方向，用于隔离铁磁层的非铁磁层，只有几个纳米厚，甚 至不到一个纳米。当这个隔离层的厚度是一定的数值时， 铁磁层的磁矩 自发地呈现反平行，而加到材料的外磁场足够大时，铁磁材料磁矩的方 向变为相互平行。电子通过与电子平均自由程相当厚度的纳米铁磁薄膜 时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向一致的电子较易通过，自旋磁矩的 取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过。因此，当铁磁层的磁矩相 互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁 层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，从而 使磁电阻发生很大变化。
磁隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJ)
非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜即磁性隧道结，通常，磁性隧 道结是由两层纳米磁性金属薄膜(FM)和它们所夹的一层氧化物绝缘层 （I）所组成的三明治结构(FM/I/FM)，I 层的厚度约为1~1.5纳米。 这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻 依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。如果两铁磁电极的磁化方向 平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极 中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进人另一 个电极的少数自旋态的空态。即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能 带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度， 因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费 米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的 少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级 处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态， 因而其隧道电流变为最小。通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的， 可观测到大的隧穿磁电阻 (TMR) 。隧道结巨磁电阻可得到比自旋阀更 高的MR数值，新近的水平在室温下达到 40%。同时，磁隧道结还具有 低功率损耗、低饱和场等特点。MTJ 技术已用于制备比自旋阀更先进 的磁盘读出头，目前得到的磁记录密度最高约为20Gb每平方 英寸。
自旋阀(Spin-valve，SV)
对于反铁磁藕合的多层膜, 需要很高的外磁场才能观察到GMR效应，故 并不适用于器件应用。在GMR效应基础上，人们设计出了自旋阀，使 相邻铁磁层的磁矩不存在 (或只存在很小的 )交换耦合。自旋阀的核心结 构是两边为铁磁层，中间为较厚的非铁磁层构成的 GMR多层膜。其中， 一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为被钉扎层；而另外一层铁 磁层的磁矩对小的外加磁场即可响应，为自由层。由于被钉扎层的磁矩 与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致 GMR的电阻值改变。如此， 在较低的外磁场下相邻铁磁层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。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。
这种非耦合型自旋阀的优点有 （1）磁电阻变化率对外磁场 的响应呈线性关系，频率特性 好；(2)饱和场低，灵敏度高。 虽然自旋阀结构的磁电阻变化 率不高，通常只有百分之几， 但饱和场较低，使磁场灵敏度 大大提高；(3)自旋阀结构中 铁磁层的磁矩的一致转动，能 够有效地克服巴克豪森效应， 从而使信噪比提高。