磁学研究现状与发展趋势

磁学研究现状与开展趋势现代磁学开展简史新磁学研究的特点与开展趋势新磁学研究方向举例报告内容1894年居里确定了顺磁磁化率与温度成反比的实验定律〔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，推导出居里定律1907年外斯〔Weiss〕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

1926年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型--过渡金属的非整数磁矩现代磁学开展简史现代磁学开展简史新磁学研究是以自旋电子学概念的提出为起点的。电子具有电荷和自旋自由度，但传统的微电子学器件功能设计主要是基于电荷，忽略了自旋自由度。实际上，随着研究的深入，人们发现低维纳米尺度的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷，例如退相干时间长、能耗低等。充分利用电子的自旋属性，有可能获得功能更强大、操控更方便、处理速度更快的新一代微电子器件。以此为契机，作为凝聚态物理的一个新的分支--自旋电子学出现了。经过近一个世纪的探索，对传统磁性根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，整体来讲根本磁学理论已经建立，对磁相关现象的认识不断深化，从外表到本质、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。现代磁学>>新磁学过渡新概念新效应新规律1.更加注重和其他学科的交叉融合新磁学研究的特点与开展趋势和外表/界面物理的交叉。由于外表、界面的对称破缺、独特的层间耦合以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表达。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。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。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。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，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，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，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。庞磁电阻效应多铁性现象奇异外表/界面关联效应磁学研究的特点与开展趋势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，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、自旋弛豫行为以及自旋相干性的演变等，更加关注自旋的量子特性。磁学研究的特点与开展趋势2.更加注重自旋个体运动规律的探索自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体,其关键是要到达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，而传统磁学那么主要利用磁场。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。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。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。3.更加注重自旋态的多场调控研究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

时间分辨空间分辨

自旋Hall自旋热电自旋注入新方法由于自旋-轨道耦合、自旋-电荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各种形式的外部/内部扰动通过对轨道的影响、对电荷序的影响、甚至通过自旋转矩传递明显影响系统的自旋结构/序与自旋态。由于多场调控与磁调控原理方法上的不同，影响途径不同，作用的结构层次不同，突出的物理问题不同，可以导致新物理原理、新物理规律的发现以及物性调控的空间。磁性体系的非磁量子调控的相关问题应该是磁学研究在未来一个时期内所关注的重点。有关研究包含以下几个方面：2.固态磁性的多场量子调控3.低维磁性体系磁相关物理效应4.新型磁结构设计及新物理效应探索低维自旋相关量子结构材料的设计与可控制备界面诱导新物态层间关联弹性关联物理关联电荷关联磁关联轨道关联双交换超交换RKKY界面偶极电荷转移自旋转移电场对磁性的影响已经发现，氧化物薄膜中应变弛豫长度约为10nm，磁相关过程的作用范围约为2nm，界面有效作用长度约为3~6nm，层间磁相互作用的传递长度约为2~5nm，电子平均自由程约为1~2nm，非平衡载流子扩散长度约为1~5nm。当薄膜厚度小于或者接近上述特征长度时，由于界面效应、层间耦合效应的影响，薄膜/多层膜系统的量子相变、量子有序现象及其调控都蕴含了新的内容，无论体系的磁行为、磁结构还是电输运行为、电极化/介电行为、光电特性等都可能出现颠覆性变化，导致新量子态以及新物理效应。OXIDEAOXIDEBOXIDEAOXIDEB特征关联长度磁性材料与磁性、半导体、超导〔包括非常规超导〕、铁电/压电、热电材料的组合调控界面/电荷/轨道/自旋结构重组、电荷转移、电声相互作用、应力效应，界面诱导新物态拓扑绝缘体态是由自旋--轨道耦合引起的新量子物态的一个例子。根据电子态结构的差异，传统意义上的材料被分为金属和绝缘体两大类。而拓扑绝缘体是一种与二者都不同的新的量子物态。这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其外表那么是无能隙的金属态。由于自旋--轨道耦合作用，在外表上会产生由时间反演对称性决定的无能隙的自旋分辨的外表电子态。这种外表态形成一种无有效质量的二维电子气。例一：关联效应体：绝缘态外表：自旋相关的导电通道例二：界面关联效应很多重要物理过程在且只在异质结构中发生2-维电子气，量子Hall效应LaAlO3SrTiO3M.Basleticetal.NatureMaterials7,621(2021)A.Tsukazakietal.Science315,1388(2007)ZnO/ZnO:Mg例三：界面关联效应Emergentphenome