自旋相關隧穿原理

自旋相關隧穿，也就是自旋相關的電子隧穿，電子隧穿的機率和自旋極化率的大小都受到磁場的影響。自旋相關隧穿原理這是電子自旋相關隧穿的原理分析。

基本介紹

• 中文名：自旋相關隧穿原理
• 外文名：The spin dependent tunneling principle
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 自旋相關隧穿：自旋相關的電子隧穿
• 開始研究時間：1970年

定義

自旋相關隧穿，也即自旋相關的電子隧穿，電子隧穿的機率和自旋極化率的大小都可以用磁場來改變。自旋相關隧穿原理這是電子自旋相關隧穿的原理分析。

研究背景

近來，電子的自旋相關現象在凝聚態物理領域引起了越來越多人的興趣，這可能是因為該現象在數據存儲和自旋電晶體方面的潛在技術套用。自旋作為電子的最根本的特性，正在產生一個新的被稱為“自旋電子學”的研究領域，在該領域中，電子的自旋與電荷同等重要。另一方面，隨著材料製備技術的發展，人們可以生產出其厚度相當於5層原子的超薄材料，這就使得基礎研究可以更加精確地進行。

對於普通金屬，電子是自旋簡併的，不存在淨的磁矩，費米面附近自旋向上和自旋向下的電子態密度完全一樣，輸運過程中的電子流是非自旋極化的。但對於鐵磁性元素如Fe、Co、Ni等，其外層電子為3d和4s電子，當它們形成金屬或合金時，其4s電子形成很寬的能帶，近於自由電子狀態。d電子形成窄能帶（頻寬約為幾個eV），由於交換相互作用，自旋向上的子帶與自旋向下的子帶發生相對位移，各自的帶底分別下降與上升。這樣，自旋向上的子帶全部或絕大部分被電子占據，而自旋向下的子帶僅部分被電子占據，兩子帶的占據電子總數之差正比於其磁矩。儘管在費米面處還有受劈裂影響較小的s電子和p電子，但由於費米面處自旋向上和自旋向下d電子的態密度相差很大，在輸運過程中電子流仍然是部分自旋極化的。

相關試驗與原理分析

自旋極化電子隧穿的實驗研究開始於1970年Tedrow和Meservey在一定的磁場和不同偏壓下對鐵磁金屬/非磁絕緣體/超導體隧道結中的隧穿電導的測量，測量結果見圖。

測量結果

超導體的電子態密度在其能隙處存在十分尖銳的峰，在磁的作用下它們將分裂為不同自旋的兩套峰；由於隧穿電導的過程是費米面處一個電極的占據態的電子轉移至另一個電極的相同自旋的空態，因而這一過程與兩電極的態密度密切相關。當施加一定的正電壓降於鐵磁金屬時，鐵磁金屬的費米面朝低能方向正好位移至超導體自旋向上態密度的峰值處，所以這時隧道結的電導將為極大值。假定在隧道輸運過程中無電子的自旋翻轉，那么參與輸運的電子完全是自旋向上的電子，因為即使鐵磁金屬的費米面處有自旋向下的電子，但對應於它們的超導體中的自旋向下的能量處在費米能隙中，因而是完全禁戒的；如果在鐵磁金屬上加一定的負電壓，鐵磁金屬的費米面則朝高能方向恰好位移至超導體自旋向下態密度的峰值處，這時隧穿電導亦取極大值，而參與輸運的電子完全是自旋向下的電子。所以超導體電極在這裡起著自旋探測器的作用。由於鐵磁金屬中電子自旋向上與自旋向下的載流子數不等（即自旋極化），這樣上自旋和下自旋電子對總隧穿電導的貢獻不同，其結果將導致隧穿電導與偏壓關係曲線的非對稱性。從這一非對稱性出發，便可以得到鐵磁金屬費米能級處傳導電子的自旋極化率。

隧穿係數與磁感強度

如圖顯示電子動能E=0.1eV和E=0.3eV兩種情況下的隧穿係數T與磁感強度B的關係的函式圖。從圖中可以看到：當磁場B=0時，自旋向上和自旋向下的電子有相同的隧穿係數，當B嘗0時則不同，磁場增加時，自旋向上的電子隧穿機率直線增加，而自旋向下的電子隧穿機率則近於直線下降.磁場可以抑制和它相反方向自旋的電子的隧穿.以上結果有一個簡單的解釋：因為電子有自旋，自旋可以取相反的兩個方向，它們在磁場中獲得不同的能量，不同能量的電子有不同的隧穿機率.用另一種表述來說，磁場降低了自旋方向和它平行的電子的勢壘高度，升高了自旋方向和它相反電子的勢壘高度，所以不同自旋方向的電子具有不同的隧穿係數。

隧穿係數T與磁感應強度B的關係