自旋电子学的意义与现状报告
Spintronics
一、简介
spintronics
自旋电子学
自旋电子学是利用载体（电子与电洞）自旋传导的电子学，英文Spintronics是利用spin transport electronics的字首及字尾组合而成。当初系美国国防部高级研究计划局（Defen Advanced Rearch Project Agency）（DARPA）於1994年开始支持发展的项目。其目的系创造新一代的电子元件，它除了利用载体的电荷，还要利用到载体的自旋特性。由於自旋有两个状态（up and down），因此利用到自旋的元件将比传统只利用到电荷有更犟的功能。
目前已发展出的元件是利用与自旋有关的穿隧效应以及巨大磁阻（GMR：Giant Magnetoresi
stance）效应来作磁场侦测器，以及磁随机存取记忆体（MRAM：magnetic random access memory）。另外正在发展的元件有自旋开关，调变器电晶体及一些传统无法做到的新型元件。自旋电子学结合了半导体、磁性及光电元件专家一同来研究在金属，半导体，超导体及异质接面中载体传导的自旋动力学。
自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。
凉爽的英文通过对电子电荷和电子自旋性质的研究，最近在电子学和信息技术领域出现了明显的进展。这个进展的重要标志之一就是诞生了自旋电子学。在传统的电子学中，数据处理集成电路所用的是半导体中电子的电荷，但并不是说电子的自旋自由度以前从没有用过，例如传统的数据存储介质，如磁盘，用的就是磁性材料中电子的自旋。
事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。如何过目不忘
新闻稿标题大全二、发展史
•88年，磁性多层膜的巨磁电阻效应
•92年，颗粒膜的巨磁电阻效应
•93年，掺杂氧化物的巨磁电阻效应
•94年，磁性随机存储器
•95年，自旋电子学-- 一门新兴学科的诞生
三、自旋电子学的物理学原理和挑战
对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。
尽管对自旋电子学的基本原理和概念的研究非常令人感兴趣，但在人们能够制造出自旋电子学应用器件之前，还有许多障碍需要克服。例如，自旋电子学的一个基本要求是在
电子材料中产生和保持大的自旋极化电流到很长的时间。要实现这一点尚需继续努力才能完成。事实上，把足够大的自旋极化电流引入半导体材料也是一个问题。以此类似，对于量子计算，人们要求精密的控制自旋纠缠及利用局域磁场操纵单一自旋。对此，虽然已经提出许多设计方案，但至今尚没有特别好的想法。很清楚的是，对于一个崭新的领域，总是机会与挑战并存。在自旋电子学的应用变成现实之前，确实有大量的基本物理问题需要研究。
四、两个主要研究领域
半导体自旋电子学研究可分为两个领域：即半导体磁电子学（SME）和半导体量子自旋电子学（SQSE）。电脑自动关机命令
SME: 这一领域主要利用磁半导体或半导体与磁性材料的组合，把磁性功能引入半导体以执行一些新的功能。例如，可以实现光隔离器、磁传感器和非挥发性的存储器等半导体器件与平常的半导体器件和电路的集成。如果磁性和自旋可以通过光或电场来控制，就可以发展出全新的、以前尚没有的功能器件，这是一种磁-光-电一体化的新器件。
SQSE: 这一领域主要集中在利用半导体中自旋的量子力学特性。例如，由于非磁半导体中有各种类型的自旋，它们具有比电极化长得多的相干时间，并可以用光或电场控制，这就比较容易把自旋作为一种量子力学实体来操纵。这些性质使它们本身可以发展出固体量子信息处理器件。从这个意义上看，半导体中的自旋正在预示一个经典物理、量子物理和技术部门的新领域。
行驶证驾驶证五、自旋电子学器件及其应用的研究进展
这里分别简要介绍磁电子学器件、自旋电子学器件及量子自旋器件的研究进展。
1、磁电子学
（1）巨磁电阻（GMR）效应
GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。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。三层结构的与自旋有关的输运性质如Fig.5所示，上下两层为铁磁材料，中间夹
层是非磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场操作的。现在可以制造出对小的磁场就能得到很大的电阻变化的材料，并且可以在室温下工作。
与半导体晶体管实现商品化的过程相似，巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于磁信息存储的技术领域，如磁盘驱动器的读写头和随机存储器（RAM）。
（2）自旋有关的输运
恍然大悟的反义词 对于铁磁金属材料，由于Ferni能级处自旋向上与自旋向下的电子数不平衡，自然会出现自旋极化的输运现象。这是因为这种不平衡将使其态密度产生移动，如Fig.6。
态密度移动的结果表现为能带的不相等填充，并成为材料具有净磁矩的来源。此外，它还可以产生Fermi能级处自旋向上与自旋向下的载流子数目、特性和迁移率的不同。于是产生输运测量中有净自旋极化，但是极化的符号和大小依赖于具体的材料配置。例如，铁磁金属可以作为自旋极化载流子的源，注入半导体、超导体或正常金属，也可以通过绝缘势垒进行隧道输运。具体的自旋极化载流子的特性和有关的电子态与具体材料、结构都有关系。
有许多材料在Fermi能级处，只有一个占有的自旋能带。这些材料只有部分极化，如Fe,Co, Ni及其合金。它们大约只有40～50％的极化P。世界上最大的洲
一个材料究竟是导体还是绝缘体，依赖于材料的磁化方向相对于电流的自旋极化的方向。方向相同是导体，相反则成为绝缘体。最近一直在寻找有100％自旋极化的材料。
（3）器件原理
自旋极化器件的作用原理可用Fig.7来说明。假定电子从铁磁金属一端通过正常金属再到另一端铁磁金属。当两个铁磁金属的磁化为平行时，电阻很低，反平行时则为高电阻。实际的器件结构并不像上图，而更像Fig.5。
这个简单的三层系统通常称为“自旋阀”（spin valve）。因为在磁场下，一个铁磁层的磁矩很困难反转，而另一层铁磁材料的磁矩非常容易反转。磁矩容易反转的层起着阀门的作用，它对外磁场的反应是灵敏的。
（4）磁记录
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磁记录介质的信息是用自旋方向作为比特的。信息存储在介质磁道的磁化区，称为磁畴。磁畴的大小约为100～1000?。记录信息的原理如Fig.8所示。一个方向的存储为“0”，另一个方向为“1”。
（5）非挥发性存储器（nonvolatile memories）
存储器通常有两种：挥发性的和非挥发性的。这里非挥发性的意思是当电源断开之后，原来存储的信息不会被“挥发”掉。例如通常的磁介质软盘就是一种非挥发性的信息存储器，虽然它有寿命问题。
2、光学自旋器件
（1）光学隔离器
波长为980nm的光经常被用作掺Er光纤放大器的激发并支撑着因特网。但这个波长范围会被Fe吸收，因此它不适宜使用通常的石榴石（garnet）单晶制作的光学隔离器。基于II-VI DMS, (Cd,Mn)Te的半导体光学隔离器，有很低的吸收和大的Faraday旋转，这是正在开发的器件。采用(Cd,Mn,Hg)(Te,Se)材料，在980nm下，有大的Verdet 常数（＝0.05 deg/O
e.cm）. 在模块水平下的插入损耗达到0.8db，它已成为第一个商用的半导体自旋电子学器件。
（2）集成的光学隔离器
当网络的带宽在用户终端达到Gb/s时，就需要利用相同的半导体集成激光器和隔离器以实现高性能、低价位的器件。基于III-V化合物的磁性半导体，如(Ga,Mn)As, (In,Mn)As和它们的混晶，可以同GaAs-和InP-集成在一起，且在带边附近有与II-VI隔离器相同量级的Verdet常数，所以它们是用作为集成光隔离器的好材料。
如果在GaAs薄膜中引入MnAs精细微粒，也可以增加其磁光活性，因为MnAs在室温下是铁磁性的。如结合进1D半导体光子晶体，还可以进一步提高磁光效应。模型计算表明，其Faraday效应是由与MnAs微粒的损耗有关的量和光子晶体的电磁场约束决定的。
在GaAs衬底上生长(Cd,Mn)Te波导的工作也已经有报导，并已证明，其波导模式可以通过改变外磁场使其变化。
（3）超快速光开关
Tackeuchi等曾经应用圆偏振光pump-probe方法测量半导体量子结构的自旋驰豫，得到AlGaAs/GaAs量子阱的自旋驰豫时间为32ps。当量子阱由外部的光产生自旋极化时，左和右圆偏振光的吸收会改变。利用这个效应，只有当自旋极化存在时可以提取光讯号，因此可以构造出非常快的光学控制栅开关。尤其是在势垒和势阱之间的量子阱包含着不同的V族原子时，如InGaAs/InP量子阱，其自旋驰豫时间在室温下都不会超过几个皮秒（ps）。用光学方法抽取左和右圆偏振光的成分之差，也可以获得超快速光学开关。
