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

自旋電子學

自旋電子學 (Spintronics)，也稱磁電子學。它利用電子的自旋和磁矩，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。

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。