[科普中国]-自旋相关隧穿原理

自旋相关隧穿，也就是自旋相关的电子隧穿，电子隧穿的概率和自旋极化率的大小都受到磁场的影响。自旋相关隧穿原理这是电子自旋相关隧穿的原理分析。

定义自旋相关隧穿，也即自旋相关的电子隧穿，电子隧穿的概率和自旋极化率的大小都可以用磁场来改变。自旋相关隧穿原理这是电子自旋相关隧穿的原理分析。

研究背景近来，电子的自旋相关现象在凝聚态物理领域引起了越来越多人的兴趣，这可能是因为该现象在数据存储和自旋晶体管方面的潜在技术应用。自旋作为电子的最根本的特性，正在产生一个新的被称为“自旋电子学”的研究领域，在该领域中，电子的自旋与电荷同等重要。另一方面，随着材料制备技术的发展，人们可以生产出其厚度相当于5层原子的超薄材料，这就使得基础研究可以更加精确地进行。

对于普通金属，电子是自旋简并的，不存在净的磁矩，费米面附近自旋向上和自旋向下的电子态密度完全一样，输运过程中的电子流是非自旋极化的。但对于铁磁性元素如Fe、Co、Ni等，其外层电子为3d和4s电子，当它们形成金属或合金时，其4s电子形成很宽的能带，近于自由电子状态。d电子形成窄能带（带宽约为几个eV），由于交换相互作用，自旋向上的子带与自旋向下的子带发生相对位移，各自的带底分别下降与上升。这样，自旋向上的子带全部或绝大部分被电子占据，而自旋向下的子带仅部分被电子占据，两子带的占据电子总数之差正比于其磁矩。尽管在费米面处还有受劈裂影响较小的s电子和p电子，但由于费米面处自旋向上和自旋向下d电子的态密度相差很大，在输运过程中电子流仍然是部分自旋极化的。

相关试验与原理分析自旋极化电子隧穿的实验研究开始于1970年Tedrow和Meservey在一定的磁场和不同偏压下对铁磁金属/非磁绝缘体/超导体隧道结中的隧穿电导的测量，测量结果见图。

超导体的电子态密度在其能隙处存在十分尖锐的峰，在磁的作用下它们将分裂为不同自旋的两套峰；由于隧穿电导的过程是费米面处一个电极的占据态的电子转移至另一个电极的相同自旋的空态，因而这一过程与两电极的态密度密切相关。当施加一定的正电压降于铁磁金属时，铁磁金属的费米面朝低能方向正好位移至超导体自旋向上态密度的峰值处，所以这时隧道结的电导将为极大值。假定在隧道输运过程中无电子的自旋翻转，那么参与输运的电子完全是自旋向上的电子，因为即使铁磁金属的费米面处有自旋向下的电子，但对应于它们的超导体中的自旋向下的能量处在费米能隙中，因而是完全禁戒的；如果在铁磁金属上加一定的负电压，铁磁金属的费米面则朝高能方向恰好位移至超导体自旋向下态密度的峰值处，这时隧穿电导亦取极大值，而参与输运的电子完全是自旋向下的电子。所以超导体电极在这里起着自旋探测器的作用。由于铁磁金属中电子自旋向上与自旋向下的载流子数不等（即自旋极化），这样上自旋和下自旋电子对总隧穿电导的贡献不同，其结果将导致隧穿电导与偏压关系曲线的非对称性。从这一非对称性出发，便可以得到铁磁金属费米能级处传导电子的自旋极化率。1

隧穿系数与磁感强度如图显示电子动能E=0.1eV和E=0.3eV两种情况下的隧穿系数T与磁感强度B的关系的函数图。从图中可以看到：当磁场B=0时，自旋向上和自旋向下的电子有相同的隧穿系数，当B尝0时则不同，磁场增加时，自旋向上的电子隧穿概率直线增加，而自旋向下的电子隧穿概率则近于直线下降.磁场可以抑制和它相反方向自旋的电子的隧穿.以上结果有一个简单的解释：因为电子有自旋，自旋可以取相反的两个方向，它们在磁场中获得不同的能量，不同能量的电子有不同的隧穿概率.用另一种表述来说，磁场降低了自旋方向和它平行的电子的势垒高度，升高了自旋方向和它相反电子的势垒高度，所以不同自旋方向的电子具有不同的隧穿系数。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学