自旋电子学与自旋电子器件简述

自旋电子学与自旋电子器件简述 陈闽江，邱彩玉，孙连峰 （国家纳米科学中心 器件研究室 北京 100190） 一、引言 2007年 10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予在 1988年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国 Albert Fert教授和德国Peter Grunberg教授。其随后的应用不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十 G乃至上百 G。越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响，并意识到这个工作方向的重要意义。 1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance，GMR)，1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal Magnetoresistance，CMR)，特别是1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance，TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮，这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究，不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科——自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展，也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。中国科学院物理研究所朱涛研究员表示：“Albert Fert和Peter Grunberg种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。” 二、电子自旋与自旋电子学 要阐明自旋电子学，就不得不先简述一下电子自旋这一概念。电子自旋不是电子的机械自转，电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性，所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标（r），还必须考虑其自旋状态。更确切地说，要考虑自旋在某给定方向（例如 z轴方向）的投影的两个可能取值的波幅，即波函数中还应该包含自旋投影这个变量（习惯上取为ZS ），从而记为( ,)Zr s。与连续变量 r不同，ZS 只能取2两个离散值。 接下来，认识电的和磁的相互作用在强度上的差异和不同的特点，可以了解自旋电子学的潜力。电荷周围存在电场，通过静电力和其他电荷发生相互作用，这种相互作用是强的和长程的。在常见的半导体中，两个相距 5 的元电荷间的相互作用能可达 0.2eV，它正比于距离的倒数1 r。1V的电压可使载流子改变 1eV的能量。然而距离为 5 的一对电子自旋之间的磁...