磁性物质中的电荷－自旋输运（10学时）.ppt

1、磁性物质中的电荷自旋输运 （10学时）,各种磁电阻效应 *巨磁电阻（GMR）效应Mott两流体模型 *隧道磁电阻（TMR）效应Julliere 公式 *自旋电子学Schmidt障碍 * CMR效应Zener双交换模型,极地光,磁场中的电子（Lorentz力）,极地光 托克马克 磁控溅射 电子显微镜 电子的自旋 正常磁电阻,铁磁金属能带镍的电子状态密度 DOSdiligent electronslazy electrons,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（lazy electrons） 2，电流极化 来源于Fermi面附近

2、（ diligent electrons）,Mott 二流体模型 （1936）,TTc,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。 （ ）/（ ） 铁磁金属的Fermi面附近，s与 d电子共存。 散射几率 “自旋极化”,各向异性磁电阻（AMR）,正、负磁电阻效应 发现：W Thomson, Proc.Roy.Soc.8, p546(1857) 物理：自旋轨道作用降低了波函数的对称性。 磁晶各向异性。(1940） 铁磁体的各向异性磁电阻解释（AMR）(1951) 自旋Hall效应（SHE）(1999),层间AFM耦合（1986）,GMR效应,1988，

3、A.Fert等，Gruenberg等,TMR 的再发现1995年 Miyazaki (JMMM),必要条件,两个特征长度： 长程交换耦合 2纳米 （Cr 1。8nm； Cu 1。2nm） 平均自由程 L 10纳米 多层膜中单层厚度t： 接近，但是要远小于 L 。,特征长度和表征方法,1A 1nm 10nm 100nm Direct exchange length RKKY exchange length Magnetic dipolar length. Mean free path . Spin diffusion length. XRD. TEM. SEM SPM.,GMR和TMR的应用,成

4、绩：HDR 的 读出磁头 MRAM 原理：磁场控制电阻磁敏电阻，被动器件！ 需要：主动器件？控制电流。 全金属GMR晶体管太困难， 功率放大？ 迁移率低+结区宽,GMR和TMR的应用（续）,1，Bipolar Spin transistor 无功率增益 2，Spin field-effect transistor 金属电极半导体通道金属 存在spin injection 问题 3，Spin valve transistorPt/Co/Cu/Co 集电极电流太低，信噪比低 4，Spin single-electron tunneling devices 自旋堆积产生的非平衡态问题,自旋电子学的提

5、出,（1）物理和主动（active）器件 （2）要求和进展 自旋弛豫长度很长 提高自旋注入效率 磁性半导体 作为“自旋源” 光学、电学方法进展,庞磁电阻（CMR）,（1）CMR的再发现 薄膜技术 Jonker and van Santen (1950) Jin，Tiefel et al (1994),庞磁电阻（CMR） （续）,（2）为甚麽有兴趣？ Mott绝缘体 高温超导、CMR、重费米子、巡游电子、量子Hall效应 强关联电子体系 超越“传统的能带理论”。,几种MR效应物理理解上的进展,表现相似、 本质迥异 AMR,GMR,TMR 能带理论基础上的“散射过程”。 CMR 非能带理论的“强关联跃迁过程”。,CMR,La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜 在稍低于Tc时的 扫描隧道谱（看下一张图） 随磁场增加 共存的绝缘相与金属相团簇 此消彼长 Science 285, (1999)1540,各种“电子学”,1，电荷电子学 电压（改变）电荷状态，（控制）电流 2，磁电子学 磁场（改变）磁矩状态电子（控制）电阻 3，自旋电子学 电场或光（改变）电荷自旋状态（控 制）电流 4，轨道电子学 电场或光（改变）轨道状态（控制）电流,轨道电子学？,激光电场改变轨道状态，然后回复。 （看下一