自旋轉移

自旋轉移

自旋轉移是指基於自旋的自旋極化流可以從一個相對較厚、固定的鐵磁層通過一個非磁性層到另一個薄層的納米體。它表明,自旋可以在n型和P型材料間很好地轉移,這就為多功能自旋電子器件的研製提供了基礎。

基本介紹

  • 中文名:自旋轉移
  • 外文名:spin transfer
  • 一級學科:工程技術
  • 二級學科:自旋電子學
  • 相關原理:自旋轉移矩效應
  • 意義:利於多功能自旋電子器件的研製
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自旋電子學

自旋電子學 (Spintronics),也稱磁電子學。它利用電子的自旋磁矩,使固體器件中除電荷輸運外,還加入電子的自旋和磁矩。是一門新興的學科和技術。套用於自旋電子學的材料,需要具有較高的電子極化率,以及較長的電子自旋弛豫時間。許多新材料,例如磁性半導體半金屬等,近年來被廣泛的研究,以求能有符合自旋電子元件套用所需要的性質。

自旋轉移簡介

實驗表明,基於自旋的自旋極化流可以從一個相對較厚、固定的鐵磁層通過一個非磁性層到另一個薄層的納米體時,可以在納米磁體裡以自旋波過程模式統一,很強的傳遞基於自旋的自旋極化流。一個套用是將它附在可以達到的磁性存儲器上,然後利用它在納米磁體裡產生統一的自旋波,再把它當作源,不斷地將自旋脈衝注入半導體中。這個過程稱為自旋轉移。

自旋轉移矩效應

1996年,J. Slonczewski和L.Bergcr分別在理論上預言自旋轉移矩效應(spin-transfer torque,STT)的存在。他們認為當自旋極化電流通過磁性材料時,電流中的自旋電子會對費米面附近電子產生影響,使磁性薄膜磁化矢量發生改變。這一發現被認為是繼巨磁電阻效應(GMR)之後自旋電子學界的又一最重要的發現,使直接利用電流操控磁性材料的磁矩成為可能,可以大大提高自旋電子器件的集成度。與巨磁電阻效應相反,自旋轉移矩效應是自旋極化電子對局域磁矩的作用,因此也被視為GMR效應的反效應。
自旋轉移矩效應的物理圖像如圖1:自旋轉移矩效應圖所示,對於一個j明治結構的磁性薄膜,其中一層鐵磁層的磁矩方向被固定,稱為釘扎層或參考層(PinnedLayerorReferenceLayer),另一層鐵磁層為自由層(Free Layer),其磁化方向在自旋極化電流作用下可以改變。
自旋轉移
圖1:自旋轉移矩效應圖
當電子從釘扎層流向自由層(電流從自由層流向釘扎層)時,在釘扎層里,自旋方向與釘扎層磁化方向一致的電子較容易通過,而自旋方向相反的電子被釘扎層散射,這樣經過釘扎層後,電流沿著釘扎層磁化方向被極化;當被自旋極化的電子經過中間層時,由於中問層厚度不大,電子自旋方向可以保持不變;電子到達自由層,自旋方向與自由層磁矩一致的電子進入自由層,並會對自由層的磁矩產生一種力矩,該力矩的作用是使自由層的方向轉向與參考層平行方向;同時與自由層磁化方向相反的電子被反彈回到釘扎層,也產生使釘扎層向自由層反方向轉動的力矩,但釘扎層磁化方向被固定,不能轉動;最終的結果是兩磁性層磁化方向將傾趨向於平行排列。反之,當電子從自由層流向釘扎層(電流從釘扎層流向自由層)時,電子經過自由層後,自旋被極化成與自由層磁矩方向一致,極化電流經過中間層後,在釘扎層界面處發生類似的透射和反射,並在兩鐵磁層中產生相應方向的力矩,但此時由於釘扎層磁化方向不易改變,被認為固定,所以經釘扎層反彈回自由層的電子(極化方向與釘扎層磁化方向相反)起主導作用,因此最終結果是使自由層磁矩方向轉向釘扎層的反方向,兩鐵磁層趨向反平行排列。

研究進展

這種將電子“拉”進半導體的辦法,將注入的效率提升了40倍。用鐳射脈衝產生自旋極化庫,先在GaAs,再在兩個獨立的實驗中進行試驗,結果表明,不論在外部或是內部建立的電場作用下,從這個庫到其他半導體的自旋注入效率都達到了很高,並且所有被轉移的自旋子(在可以收集到的範圍內)都表現出源庫的性質。這就意味著在特殊情況下,自旋庫就會像“電池”一樣,源源不斷地將自旋極化流輸出界而,直到用盡。在後繼的實驗中甚至發現,在外部電場作用下,P型GaAs能將自旋電子直接注入到n型ZnSe中,它表明,自旋可以在n型和P型材料間很好地轉移。這些就為多功能自旋電子器件(性質可由電場和磁場控制)的研製提供了基礎。

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