[科普中国]-自旋转移

自旋转移是指基于自旋的自旋极化流可以从一个相对较厚、固定的铁磁层通过一个非磁性层到另一个薄层的纳米体。它表明，自旋可以在n型和P型材料间很好地转移，这就为多功能自旋电子器件的研制提供了基础。

自旋电子学自旋电子学 (Spintronics)，也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。是一门新兴的学科和技术。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子极化率，以及较长的电子自旋弛豫时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属等，近年来被广泛的研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。

自旋转移简介实验表明，基于自旋的自旋极化流可以从一个相对较厚、固定的铁磁层通过一个非磁性层到另一个薄层的纳米体时，可以在纳米磁体里以自旋波过程模式统一，很强的传递基于自旋的自旋极化流。一个应用是将它附在可以达到的磁性存储器上，然后利用它在纳米磁体里产生统一的自旋波，再把它当作源，不断地将自旋脉冲注入半导体中。这个过程称为自旋转移。

自旋转移矩效应1996年，J. Slonczewski和L.Bergcr分别在理论上预言自旋转移矩效应（spin-transfer torque，STT）的存在。他们认为当自旋极化电流通过磁性材料时，电流中的自旋电子会对费米面附近电子产生影响，使磁性薄膜磁化矢量发生改变。这一发现被认为是继巨磁电阻效应（GMR）之后自旋电子学界的又一最重要的发现，使直接利用电流操控磁性材料的磁矩成为可能，可以大大提高自旋电子器件的集成度。与巨磁电阻效应相反，自旋转移矩效应是自旋极化电子对局域磁矩的作用，因此也被视为GMR效应的反效应。

自旋转移矩效应的物理图像如图所示，对于一个j明治结构的磁性薄膜，其中一层铁磁层的磁矩方向被固定，称为钉扎层或参考层（PinnedLayerorReferenceLayer），另一层铁磁层为自由层（Free Layer），其磁化方向在自旋极化电流作用下可以改变。

当电子从钉扎层流向自由层(电流从自由层流向钉扎层)时，在钉扎层里，自旋方向与钉扎层磁化方向一致的电子较容易通过，而自旋方向相反的电子被钉扎层散射，这样经过钉扎层后，电流沿着钉扎层磁化方向被极化；当被自旋极化的电子经过中间层时，由于中问层厚度不大，电子自旋方向可以保持不变；电子到达自由层，自旋方向与自由层磁矩一致的电子进入自由层，并会对自由层的磁矩产生一种力矩，该力矩的作用是使自由层的方向转向与参考层平行方向；同时与自由层磁化方向相反的电子被反弹回到钉扎层，也产生使钉扎层向自由层反方向转动的力矩，但钉扎层磁化方向被固定，不能转动；最终的结果是两磁性层磁化方向将倾趋向于平行排列。反之，当电子从自由层流向钉扎层（电流从钉扎层流向自由层）时，电子经过自由层后，自旋被极化成与自由层磁矩方向一致，极化电流经过中间层后，在钉扎层界面处发生类似的透射和反射，并在两铁磁层中产生相应方向的力矩，但此时由于钉扎层磁化方向不易改变，被认为固定，所以经钉扎层反弹回自由层的电子（极化方向与钉扎层磁化方向相反）起主导作用，因此最终结果是使自由层磁矩方向转向钉扎层的反方向，两铁磁层趋向反平行排列。1

研究进展这种将电子“拉”进半导体的办法，将注入的效率提升了40倍。用镭射脉冲产生自旋极化库，先在GaAs，再在两个独立的实验中进行试验，结果表明，不论在外部或是内部建立的电场作用下，从这个库到其他半导体的自旋注入效率都达到了很高，并且所有被转移的自旋子（在可以收集到的范围内）都表现出源库的性质。这就意味着在特殊情况下，自旋库就会像“电池”一样，源源不断地将自旋极化流输出界而，直到用尽。在后继的实验中甚至发现，在外部电场作用下，P型GaAs能将自旋电子直接注入到n型ZnSe中，它表明，自旋可以在n型和P型材料间很好地转移。这些就为多功能自旋电子器件（性质可由电场和磁场控制）的研制提供了基础。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学