[科普中国]-自旋运输

自旋运输也作自旋输运，是电子运输的一种方式，自旋相关输运可以说是自旋电子学中最核心的概念。输运现象讨论的是在电场、磁场、温度场等作用下电荷和能量的输运问题。

概述自旋相关运输可以说是自旋电子学中最核心的概念。对于普通金属，电子的自旋态是简并的，所以不存在净的磁矩，同样费米面附近的电子态也是自旋简并的，因而运输过程中电子流是非自旋极化的。不过，对于铁磁过渡金属来说，由于3d电子的交换作用，自旋取向不同的3d电子具有不同能量，3d能带分裂成两个子带，自旋向上电子的子带与自旋向下电子的子带发生相对位移，这便是人们所熟知的“交换劈裂”。由于交换劈裂，自旋向上电子的子带（多数自旋）将全部或绝大部分被电子占据，而自旋向下电子的子带（少数自旋）仅部分被电子占据，两子带的占据电子数之差正比于它的磁矩。由于交换劈裂，费米面处自旋向上和自旋向下3d电子的态密度相差很大，所以在费米面处还有少数受交换劈裂影响较小的S电子和自旋极化的电子1。

运输现象运输现象也称为迁移现象。运输现象讨论的是在电场、磁场、温度场等作用下电荷和能量的运输问题。通过运输现象的研究可以了解载流子与晶格和晶格缺陷相互作用的性质。

应用在潜在的新器件应用中，利用自旋和电荷运输在设计上有其固有的限制：它们要么由异质结构组成，要么由非均匀材料组成。虽然在传统的电子学中，即纯电荷运输情形，类似的限制己有广泛的研究，但自旋自由度通过异质结或非均匀材料的界面将有什么样的行为并不很清楚。例如，考虑一个非磁金属与半导体接触，会形成Schottky势垒，其性质将决定金属/半导体结的电荷运输。但关于与自旋有关的Schottky势垒，自旋极化通过其界面运输现象，还缺乏物理理解。从铁磁体到半导体依赖于直接电子自旋注入是自旋电子学器件要解决的重要问题。如果进一步考虑在磁性界面有自旋反转（spin-flip）的可能性，情形就更为复杂。在评估各种自旋电子学器件的可行性时，以上考虑都必须包括在内，因为它们意味着通过半导体与铁磁体形成的界面时，载流子自旋极化的程度会被强烈地改变1。

相关研究自从Dubrovin和Novikov以及Vilms和Entin提出磁调制量子结构的概念以来，磁调制量子结构物理无论在理论还是在实验上均得到了人们极大的关注。理论上人们陆续提出了各类磁调制量子结构，其中包括磁垒、磁阱、磁台阶、磁量子点及反点、磁量子线、磁量子环、周期及准周期超晶格等。起初实验上实现二维电子气的磁调制进展较慢，但随着分子束外延技术和现代刻蚀技术的发展，利用电子微刻技术在半导体异质结上沉积超导条和铁磁条，实现了对二维电子气的纳米级磁调制。通过电子束微刻技术，超导薄膜可以做成任意的形状，从而一般想象的非均匀磁场的几何构型在实验上都能实现。理论磁调制量子结构的能谱和运输性质研究已取得了显著进展，人们重点研究了磁调制量子结构的波矢过滤、能谱结构、共振劈裂、自旋极化运输和磁阻性质等等。Guo等人针对该领域的一些核心问题，如：低维磁调制量子系统中的电子磁致运输和自旋极化运输作了较为系统的研究，取得了一系列具有创新意义的成果。先后提出了自旋过滤二极管和自旋过滤及电流双重二极管的概念。探讨了稀磁半导体异质结构及其超晶格结构中自旋运输的电场效应、磁场效应、温度效应、量子尺寸效应、层间耦合效应、一导带偏隙效应、自旋共振劈裂效应；揭示了其中自旋运输的时间特征，并提出自旋电子在时间尺度上的分离的观点，发展了自旋运输的理论和算法2。

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学