[科普中国]-自旋极化电流

自旋极化电流是发生自旋翻转的时候，所需要流过自旋逻辑器件的电流。磁性材料的磁动力学一直是重要课题,其中磁矩翻转更是引起了科学工作者们广泛的关注和讨论,因为磁矩翻转可以被广泛运用到我们实际生活中的磁性存储器中1

发展背景自旋极化电流与磁化动力学理论相关。电流驱动的磁化动力学理论是目前磁学界的一个重要的研究热点 。 本文将重点介绍电流驱动磁化动力学的机制及其研究进展以及基于电流诱发的磁矩翻转原理的几种新型器件的提出 、 面临的主 要问题以及研制的进展情况 。由于电流驱动磁化动力学的基础理论是巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应以及其反效应自旋转矩效应。

电子在某材料中运动时, 若受到晶格原子或掺入的杂质原子所带的阳离子影响而改变其运动路径, 进而与这些晶格原子碰撞而产生热能时, 此现象称为 “电阻效应” 。简而言之, 电阻效应就是晶格阻碍电子前进的效应。若电子在材料中运动时外加一磁场, 便会使得电子向阳离子冲撞的机率偏高, 亦即导致电阻值加大。因为是受磁场或磁性作用影响而改变的电阻, 为与一般的电阻特性区隔, 故称之为磁阻。换句话说, 磁电阻是指在一定磁场下的电阻改变的现象。磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。通常用电阻变化率表示。

作用自旋极化电流的作用是使自由层发生翻转。在与自旋相关的散射中，当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上的 d 子带 (即多数自旋) 平行时，其平均自由程长，相应的电阻率低；而当电子的自旋与铁磁金属的自旋向下的 d 子带平行 (即反平行于多数自旋)时，其平均自由程短，相应的电阻率高。因此，当相邻铁磁层的磁矩反铁磁耦合时，在一个铁磁层中受散射较弱的电子进入另 一铁磁层后必定遭受较强的散射，故从整体上说，所有电子都遭受较强的散射；而当相邻铁磁层的磁矩在磁场的作用下趋于平行时，自旋向上的电子在所有铁磁层中均受到较弱的散射，相当于自旋向上的电子构成了短路状态，这就是基于的二流体模型对巨磁电阻效应的简单解释。这个过程可以用一个简单的电阻网络来演示，即相邻磁层磁矩反 平行排列时电阻网络处于高阻状态，而当磁场较大，相邻磁层磁矩平行排列时电阻网络处于低阻状态。2

相关概念磁性隧道结指由铁磁膜/绝缘体薄膜/铁磁薄膜构成的三明治结构。对应于隧道结中出现的磁电阻现象称为隧道磁电阻。

隧道磁电阻来源于铁磁层中自旋向上电子和自旋向下电子态密度的不对称性。假设没有自旋反转散射 (遂穿过程中电子的自旋守恒), 自旋极化遂穿几率依赖于个铁磁层中磁化强度的相对取向。在磁化强度相互平行时，中多数电子的自旋取向相同的数目之间有最大匹配程度的电阻最小。相反 , 在磁化强度反平行时，电子的遂穿行为发生在一个铁磁层的多数电子态和另一个 铁磁层的少数电子态之间。这种态密度之间的不匹配造成了最小的遂穿电流和最大的遂穿电阻。当外加磁场使磁化强度从平行转到反平行，或从反平行 转到平行态时，磁电阻现象出现。由于磁隧道结中电子的输运机制是隧道效应 , 所以称之为隧道磁电阻。3

自旋转移矩效应指利用磁化状态控制自旋输运。每一个作用都有反作用效应就是利用自旋运输影响磁化状态。这就是自旋转移矩效应。当自旋极化电流的密度足够大时, 自旋极化电流和磁化之间的相互作用会造成自旋波的激发或引发磁矩翻转, 所以也称自旋传输翻转。

优点采用自旋极化电流控制反转的优点是灵敏度高。由自旋电流产生磁场。在磁隧道阀中，磁场克服两铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转至磁场方向而趋一致，这时隧道电阻为极小值；若将磁场减小至负，矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转, 两铁磁层的磁化方向相反，隧道电阻为极大值，因而只需一个非常小的外磁场便可实现极大值，所以的磁场灵敏度非常高。1

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学