自旋轉(zhuǎn)移是指基于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(zhuǎn)移,這就為多功能自旋電子器件的研制提供了基礎。
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(shù)。應用于自旋電子學的材料,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應用所需要的性質(zhì)。
自旋轉(zhuǎn)移簡介實驗表明,基于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,可以在納米磁體里以自旋波過程模式統(tǒng)一,很強的傳遞基于自旋的自旋極化流。一個應用是將它附在可以達到的磁性存儲器上,然后利用它在納米磁體里產(chǎn)生統(tǒng)一的自旋波,再把它當作源,不斷地將自旋脈沖注入半導體中。這個過程稱為自旋轉(zhuǎn)移。
自旋轉(zhuǎn)移矩效應1996年,J. Slonczewski和L.Bergcr分別在理論上預言自旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生影響,使磁性薄膜磁化矢量發(fā)生改變。這一發(fā)現(xiàn)被認為是繼巨磁電阻效應(GMR)之后自旋電子學界的又一最重要的發(fā)現(xiàn),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(zhuǎn)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(zhuǎn)移矩效應的物理圖像如圖所示,對于一個j明治結(jié)構(gòu)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。
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(jīng)過釘扎層后,電流沿著釘扎層磁化方向被極化;當被自旋極化的電子經(jīng)過中間層時,由于中問層厚度不大,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,并會對自由層的磁矩產(chǎn)生一種力矩,該力矩的作用是使自由層的方向轉(zhuǎn)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(chǎn)生使釘扎層向自由層反方向轉(zhuǎn)動的力矩,但釘扎層磁化方向被固定,不能轉(zhuǎn)動;最終的結(jié)果是兩磁性層磁化方向?qū)A趨向于平行排列。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(jīng)過自由層后,自旋被極化成與自由層磁矩方向一致,極化電流經(jīng)過中間層后,在釘扎層界面處發(fā)生類似的透射和反射,并在兩鐵磁層中產(chǎn)生相應方向的力矩,但此時由于釘扎層磁化方向不易改變,被認為固定,所以經(jīng)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(jié)果是使自由層磁矩方向轉(zhuǎn)向釘扎層的反方向,兩鐵磁層趨向反平行排列。1
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。用鐳射脈沖產(chǎn)生自旋極化庫,先在GaAs,再在兩個獨立的實驗中進行試驗,結(jié)果表明,不論在外部或是內(nèi)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,并且所有被轉(zhuǎn)移的自旋子(在可以收集到的范圍內(nèi))都表現(xiàn)出源庫的性質(zhì)。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。在后繼的實驗中甚至發(fā)現(xiàn),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(zhuǎn)移。這些就為多功能自旋電子器件(性質(zhì)可由電場和磁場控制)的研制提供了基礎。2
本詞條內(nèi)容貢獻者為:
陳紅 - 副教授 - 西南大學