固体物理学54-自旋电子学简介课件

自旋电子学磁学及相关领域授予的诺贝尔奖：1902年H.A.洛伦兹、P.塞曼（荷兰人）,研究磁场对辐射的影响1943年O.斯特恩（美国人）,开发了分子束方法以及质子磁矩的测量

1944年I.I.拉比（美国人）,发明了著名核磁共振法1952年F.布洛赫、E.M.珀塞尔（美国人）,从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法1970年L.奈尔（法国人）,从事铁磁和反铁磁方面的研究;H.阿尔文（瑞典人）,从事磁流体力学方面的基础研究1977年P.W.安德林、J.H.范弗莱克（美国人）、N.F.莫特（英国人）,从事磁性和无序系统电子结构的基础研究1998年劳克林（美国）、斯特默（美国）、崔琦（美国）,发现了分数量子霍尔效应2007年AFert,P.Grunberg,巨磁电阻效应巨磁电阻（GMR)效应：费尔教授(A.Fert)，法国国家科研中心联合物理实验室科学主任格林贝格尔教授(P.Grunberg)，德国于利希研究中心教授2007年诺贝尔奖，巨磁电阻效应Fe/Cr超晶格Fe/Cr/FeFeFe一般非磁性导体：MR~10-5一般的磁性导体：AMR~3-5%各向异性GMR：Fe/Cr/Fe，4.2K，GMR~46%磁电阻效应：TMR：Fe/MgO/Fe（CMR）庞磁电阻效应：La2/3Ba1/3MnO3

自旋电子学：自旋电子学是以研究介观和微观尺度范围内自旋极化电子的输运特性（包括自旋极化、自旋相关的散射与自旋弛豫）以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的输运机理下工作的功能器件为主要内容的一门新的交叉学科金属基自旋电子学及器件GMR自旋阀结构(spinvalve)：自旋阀读取磁头TMR磁隧道结(magnetictunneljunction)：磁性随机动态存储器(MRAM)半导体自旋电子学半导体-磁体混合系统（Hybridsystems)：自旋注入(spininjection)

自旋的输运(spintransportinsemiconductor)稀磁半导体：

(Ga,Mn)As,doped-TiO2,ZnO自旋动力学：自旋的操控：磁场操控，电流（电场）操控，光操控。自旋的振荡，自旋的翻转自旋流一、巨磁电阻效应GMR自旋极化率半金属（halfmetal):自旋极化率100%CrO2，La2/3Sr1/3MnO3，Sr2FeMoO6等能带的交换劈裂导致物性的自旋极化

电子的两个自旋子带，状态密度（DOS）不等1，自发磁矩

来源于整体（lazyelectrons）

2，电流极化

来源于Fermi面附近（diligentelectrons）

Mott二流体模型（1936）

N.H.Mott,Proc.Roy.Soc.A153,699(1936)T<<Tc,两种电子之间的“自旋翻转”可以忽略。近似地，总电阻是独立的两个自旋电子流的电阻值。ρ＝（ρ↑×ρ↓）/（ρ↑＋ρ↓）铁磁金属的Fermi面附近，s－与d－电子共存。散射几率“自旋极化”散射过程中没有自旋反转S↑电子未被d↑（majority

）电子散射，对电导贡献大（d↑在Fermi面没有状态)

S↓电子被d↓(minority)电子散射，对电导贡献小

(d↓有效质量太大)结果：电导的自旋相关因子计入Spin－flip散射（热自旋波散射），高温电阻率低温电阻率（Spin－flip散射）二、隧穿磁电阻效应TMR“FM－I－FM”MJulliere（1975）再发现TMiyazaki（1995）JMMMMoodera（1995）TMR实验结果

TMR原理Julliere公式隧穿电流（近似!）I∝指数衰减部分×状态密度部分上左图FM电极的磁矩彼此“平行”（注意：数值大小是）上右图FM电极的磁矩彼此“反平行”（注意：数值大小是）TMR的公式（用自旋极化率表示）第一个电极第二个电极简单代数运算，得到Julliere的公式，三、自旋动力学自旋的操控：磁场、电场（电流）、光L-L-G方程：1、矩形纳米点的稳定磁结构(a)C形磁结构(b)S形磁结构(c)vortex磁结构(d)flower磁结构C形磁结构磁体的静态反磁化过程自旋转移力矩：L.Berger,PRB,1996；J.C.Slonczewski,JMMM,1996自旋Hall效应（spinHallEffect）自旋流反自旋Hall效应：SaitohE.,APL,2006Spinpump

自旋Seebeck效应：SaitohE.,nature,2008金属、半导体、绝缘体中均发现自旋Seebeck效应Charge-basedspincurrentNoncharge-basedspincurrent:magnonicspincurrent畴壁动力学和畴壁自旋器件Racetrack存储器[Parkin,et.alScience320,190(2008)]畴壁MRAM自旋流驱动畴壁运动绝热项自旋转移力矩：受内秉钉扎影响，电流较小时无法驱动畴壁稳定运动。非绝热项自旋转移力矩：不考虑外部钉扎时，电流很小仍然能够驱动畴壁稳定运动。[A.Thiaville,et.al,Europhys.Lett.69,990(2005)]磁子自旋流，全磁子自旋器件自旋波（磁子流）

磁子自旋转移力矩

磁子自旋流驱动的畴壁运动低频范围存在自旋波反射时，畴壁沿自旋波传播方向运动。高频范围自旋波全透射时，畴壁沿自旋波传播相反方向运动。磁子自旋流驱动畴壁运动的机制磁子自旋流在畴壁处自旋波透射率T在畴壁处自旋波反射率(1-T)类似于自旋极化电流，磁子自旋转移力矩可以表示为：其中磁子和畴壁间的动量转移会产生一个作用力：引入动量转移力矩等效磁场：加入磁子角动量转移力矩和磁子动量转移力矩的LLG方程：对畴壁做集体坐标假设，得到描述磁子自旋流驱动畴壁运动的一维模型方程组：由上述方程组可以得到畴壁运动初速度vI以及畴壁运动稳态速度vs的表达式：射频场辅助下自旋转移力矩驱动的畴壁运动。畴壁厚度振荡和绝热项力矩的耦合引起了这种稳定畴壁运动射频场辅助下交变极化电流驱动的畴壁运动。畴壁运动的速度和方向取决于（

-），且速度幅值和

成线性关系；另外，此时畴壁运动仍然受位相差

1的影响Pt/NiFe，Ta/CoFeB/MgO/Ta纳米线的制备实验工作GGS微米带宽400nm宽1.5um50um50umPt/NiFe，Ta/CoFeB/MgO/Ta纳米线的微波测试纳米线各向异性磁电阻NiFe纳米线Au电极Au电极50um自旋波测试测试如上图，纳米线中通rf电流，同时通过偏置器可以探测到产生的直流电压信号。NiFe纳米线Au电极Au电极GGSGSRFIRFIVNiFePtHNWAu45纳米线轴线宽600nm，线长150um，电极间距50um

微波输入功率：8dBm固定频率在5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz下扫描磁场自组装制备纳米线磁子晶体成分调制的NiFe合金纳米线AAO多孔模板自旋的注入

黑磷器件黑磷通过机械法分散在Si/SiO2衬底上，然后通过对准、电子束光刻、金属沉积、剥离得到上述器件