自旋極化電流

自旋極化電流是發生自旋翻轉的時候，所需要流過自旋邏輯器件的電流。磁性材料的磁動力學一直是重要課題,其中磁矩翻轉更是引起了科學工作者們廣泛的關注和討論,因為磁矩翻轉可以被廣泛運用到我們實際生活中的磁性存儲器中

基本介紹

• 中文名：自旋極化電流
• 外文名：Spin polarized current
• 相關學科：自旋電子
• 相關概念：自旋翻轉
• 套用：自旋儲存器件

發展背景

自旋極化電流與磁化動力學理論相關。電流驅動的磁化動力學理論是目前磁學界的一個重要的研究熱點 。電流驅動磁化動力學的基礎理論是磁阻效應，尤其是巨磁阻效應和隧道磁電阻效應以及其反效應自旋轉矩效應。

電子在某材料中運動時, 若受到晶格原子或摻入的雜質原子所帶的陽離子影響而改變其運動路徑, 進而與這些晶格原子碰撞而產生熱能時, 此現象稱為 “電阻效應” 。簡而言之, 電阻效應就是晶格阻礙電子前進的效應。若電子在材料中運動時外加一磁場, 便會使得電子向陽離子衝撞的機率偏高, 亦即導致電阻值加大。因為是受磁場或磁性作用影響而改變的電阻, 為與一般的電阻特性區隔, 故稱之為磁阻。換句話說, 磁電阻是指在一定磁場下的電阻改變的現象。磁性金屬和合金一般都有磁電阻現象，通常用電阻變化率表示。

電流示意圖

作用

自旋極化電流的作用是使自由層發生翻轉。在與自旋相關的散射中，當電子的自旋與鐵磁金屬的自旋向上的 d 子帶 (即多數自旋) 平行時，其平均自由程長，相應的電阻率低；而當電子的自旋與鐵磁金屬的自旋向下的 d 子帶平行 (即反平行於多數自旋)時，其平均自由程短，相應的電阻率高。因此，當相鄰鐵磁層的磁矩反鐵磁耦合時，在一個鐵磁層中受散射較弱的電子進入另 一鐵磁層後必定遭受較強的散射，故從整體上說，所有電子都遭受較強的散射；而當相鄰鐵磁層的磁矩在磁場的作用下趨於平行時，自旋向上的電子在所有鐵磁層中均受到較弱的散射，相當於自旋向上的電子構成了短路狀態，這就是基於的二流體模型對巨磁電阻效應的簡單解釋。這個過程可以用一個簡單的電阻網路來演示，即相鄰磁層磁矩反 平行排列時電阻網路處於高阻狀態，而當磁場較大，相鄰磁層磁矩平行排列時電阻網路處於低阻狀態。

相關概念

磁性隧道結

指由鐵磁膜/絕緣體薄膜/鐵磁薄膜構成的三明治結構。對應於隧道結中出現的磁電阻現象稱為隧道磁電阻。

隧道磁電阻來源於鐵磁層中自旋向上電子和自旋向下電子態密度的不對稱性。假設沒有自旋反轉散射 (遂穿過程中電子的自旋守恆), 自旋極化遂穿幾率依賴於個鐵磁層中磁化強度的相對取向。在磁化強度相互平行時，中多數電子的自旋取向相同的數目之間有最大匹配程度的電阻最小。相反 , 在磁化強度反平行時，電子的遂穿行為發生在一個鐵磁層的多數電子態和另一個 鐵磁層的少數電子態之間。這種態密度之間的不匹配造成了最小的遂穿電流和最大的遂穿電阻。當外加磁場使磁化強度從平行轉到反平行，或從反平行 轉到平行態時，磁電阻現象出現。由於磁隧道結中電子的輸運機制是隧道效應 , 所以稱之為隧道磁電阻。

自旋轉移矩效應

指利用磁化狀態控制自旋輸運。每一個作用都有反作用效應就是利用自旋運輸影響磁化狀態。這就是自旋轉移矩效應。當自旋極化電流的密度足夠大時, 自旋極化電流和磁化之間的相互作用會造成自旋波的激發或引發磁矩翻轉, 所以也稱自旋傳輸翻轉。


優點

採用自旋極化電流控制反轉的優點是靈敏度高。由自旋電流產生磁場。在磁隧道閥中，磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉至磁場方向而趨一致，這時隧道電阻為極小值；若將磁場減小至負，矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉, 兩鐵磁層的磁化方向相反，隧道電阻為極大值，因而只需一個非常小的外磁場便可實現極大值，所以的磁場靈敏度非常高。