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。

基本介紹

• 中文名：自旋電子學
• 外文名：Spintronics
• 別名：磁電子學
• 原理：利用電子的自旋和磁矩
• 套用：磁性半導體、半金屬等
• 領域：物理
• 細分領域：凝聚態物理

簡介

硬碟磁頭是自旋電子學領域中，最早商業化的產品。此外，尚有許多充滿潛力的套用，例如磁性隨機記憶體、自旋場發射電晶體、自旋發光二極體等。

歷史

1980年在固態器件中發現了與電子自旋有關的電子輸運現象。開始出現了自旋電子學。

1985年詹森和西爾斯比觀察到，鐵磁金屬把極化di電子注如入普通金屬；艾伯特·費爾蒂等和 彼得·格倫伯格發現巨磁電阻效應。還可追溯到梅澤夫和特德羅的鐵磁和超導體隧道實驗，以及1970年的祖利爾（Julliere）磁隧道結。利用半導體作磁電子學器件，可追溯到1990年達它（Datta）和達斯（Das）的理論提議自旋場效應二極體。

1988年，法國科學家Fert小組在[Fe/Cr]周期性多層膜中，觀察到當施加外磁場時，其電阻變化率高達50%，因此稱之為巨磁電阻效應。在反鐵磁耦合的多層膜中，出現巨磁電阻的必要條件就是近鄰磁層中的磁矩相對取向在外磁場的作用下可以發生變化，因此需要很高的外磁場才能觀察到GMR效應，不適合於器件套用。

1995年，在Fe/Al₂O₃/Fe三明治結構中觀察到很大的隧道磁電阻（Tunneling Magnetoresistance， TMR）現象，開闢了自旋電子學的又一個新方向。除了上面提到的磁性多層結構，半導體自旋電子學如磁性半導體，磁性/半導體複合材料，非磁性半導體量子阱和納米結構中的自旋現象以及半導體的自旋注入的研究在GMR發現後也變得十分活躍，極大地豐富了自旋電子學的內容。

套用

自旋電子中的自旋隨機儲存器的套用前景並不局限於傳統的計算機存儲體系， 還能夠擴展到其他諸多領域， 甚至有望成為通用存儲器(Universal Memory)。例如， 在發動機控制模組採用磁隨機儲存器以保證數據在斷電情況下不丟失。鑒於磁性存儲具有抗輻射的優勢， 在A350的飛行控制系統中採用MRAM以防止射線造成數據破壞。

此外， 在物聯網和大數據等新興套用領域， 泛在的感測器終端需要蒐集數據， 為節省存儲功耗， 使用非易失性存儲器勢在必行， 基於自旋電子學原理的自旋隨機儲存器以其相對優良的性能成為熱門的候選器件。

自旋注入和檢測

自旋注入和檢測是實現自旋電子器件最基本的條件。磁性材料半導體界面的自旋注入是最基本的自旋注入結構作為自旋極化源和檢測的磁性材料電極有鐵磁金屬。磁性半導體和稀磁半導體三種磁性半導體有較高的自旋注入效率。但是磁性半導體，如硫化銪的生長極其困難。因此研究就集中在從稀磁半導體和鐵磁金屬向非磁半導體內的注入稀磁半導體的鐵磁轉變溫度遠低於 室溫! 雖然理論預測某些材料的鐵磁轉變溫度可以高於室溫。但是在開發出可以在室溫下套用的稀磁半導體之前，鐵磁金屬半導體的接觸仍然是實現從注入自旋操縱到檢測全部電學控制的最有希望的方法。