[科普中國]-自旋輸運

自旋輸運是電子輸運的一種方式，自旋相關輸運可以說是自旋電子學中最核心的概念。輸運現(xiàn)象討論的是在電場、磁場、溫度場等作用下電荷和能量的輸運問題。

輸運現(xiàn)象輸運現(xiàn)象也稱為遷移現(xiàn)象。輸運現(xiàn)象討論的是在電場、磁場、溫度場等作用下電荷和能量的輸運問題。通過輸運現(xiàn)象的研究可以了解載流子與晶格和晶格缺陷相互作用的性質。

自旋相關輸運簡介自旋相關輸運可以說是自旋電子學中最核心的概念。對于普通金屬，電子的自旋態(tài)是簡并的，所以不存在凈的磁矩，同樣費米面附近的電子態(tài)也是自旋簡并的，因而輸運過程中電子流是非自旋極化的。不過，對于鐵磁過渡金屬來說，由于3d電子的交換作用，自旋取向不同的3d電子具有不同能量，3d能帶分裂成兩個子帶，自旋向上電子的子帶與自旋向下電子的子帶發(fā)生相對位移，這便是人們所熟知的“交換劈裂”。由于交換劈裂，自旋向上電子的子帶（多數(shù)自旋）將全部或絕大部分被電子占據(jù)，而自旋向下電子的子帶（少數(shù)自旋）僅部分被電子占據(jù)，兩子帶的占據(jù)電子數(shù)之差正比于它的磁矩。由于交換劈裂，費米面處自旋向上和自旋向下3d電子的態(tài)密度相差很大，所以在費米面處還有少數(shù)受交換劈裂影響較小的S電子和自旋極化的電子。1

在潛在的新器件應用中，利用自旋和電荷輸運在設計上有其固有的限制：它們要么由異質結構組成，要么由非均勻材料組成。雖然在傳統(tǒng)的電子學中，即純電荷輸運情形，類似的限制己有廣泛的研究，但自旋自由度通過異質結或非均勻材料的界面將有什么樣的行為并不很清楚。例如，考慮一個非磁金屬與半導體接觸，會形成Schottky勢壘，其性質將決定金屬/半導體結的電荷輸運。但關于與自旋有關的Schottky勢壘，自旋極化通過其界面輸運現(xiàn)象，還缺乏物理理解。從鐵磁體到半導體依賴于直接電子自旋注入是自旋電子學器件要解決的重要問題。如果進一步考慮在磁性界面有自旋反轉（spin-flip）的可能性，情形就更為復雜。在評估各種自旋電子學器件的可行性時，以上考慮都必須包括在內，因為它們意味著通過半導體與鐵磁體形成的界面時，載流子自旋極化的程度會被強烈地改變。

相關研究自從Dubrovin和Novikov以及Vilms和Entin提出磁調制量子結構的概念以來，磁調制量子結構物理無論在理論還是在實驗上均得到了人們極大的關注。理論上人們陸續(xù)提出了各類磁調制量子結構，其中包括磁壘、磁阱、磁臺階、磁量子點及反點、磁量子線、磁量子環(huán)、周期及準周期超晶格等。起初實驗上實現(xiàn)二維電子氣的磁調制進展較慢，但隨著分子束外延技術和現(xiàn)代刻蝕技術的發(fā)展，利用電子微刻技術在半導體異質結上沉積超導條和鐵磁條，實現(xiàn)了對二維電子氣的納米級磁調制.通過電子束微刻技術，超導薄膜可以做成任意的形狀，從而一般想象的非均勻磁場的幾何構型在實驗上都能實現(xiàn)。理論L磁調制量子結構的能譜和輸運性質研究已取得了顯著進展，人們重點研究了磁調制量子結構的波矢過濾、能譜結構、共振劈裂、自旋極化輸運和磁阻性質等等[31-39]。近年來Guo等人針對該領域的一些核心問題，如:低維磁調制量子系統(tǒng)中的電子磁致輸運和自旋極化輸運作了較為系統(tǒng)的研究，取得了一系列具有創(chuàng)新意義的成果。先后提出了自旋過濾二極管和自旋過濾及電流雙重二極管的概念。探討了稀磁半導體異質結構及其超晶格結構中自旋輸運的電場效應、磁場效應、溫度效應、量子尺寸效應、層間耦合效應、一導帶偏隙效應、自旋共振劈裂效應；揭示了其中自旋輸運的時間特征，并提出自旋電子在時間尺度上的分離的觀點;發(fā)展了自旋輸運的理論和算法。2

本詞條內容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學