自旋电子学原理

自旋电子学原理自旋的引入电子自旋实验与分析电子自旋原理与相关的效应我们的世界是由几个维度描述的？爱因斯坦在相对论中提出：我们的世界除了空间维度外，还有一个时间维度。早期对电子的描述只用了三个参数，n,l,m，那么是不是预示着我们需要第四个参量来完整地描述出电子的状态假设原子的磁矩为M，则它在外磁场B中的势能为，θ是M与外磁场之间的夹角，原子在Z方向上受力是：如果原子磁矩在空间可以取任意方向的话，那么在照片上应该能够得到一条连续的带，但是实验结果只有两条分立的线实验中采用了S态的氢原子，角量子数l=0，所以原子所具有的磁矩是电子固有的磁矩，即自旋磁矩。coszUzBMFzzcosMBBMU自旋霍尔效应及原理在外加电场中，材料中自旋向上的和自旋向下的电子由于各自形成的磁场方向相反，会各自向相反的方向堆积，这就是自旋霍尔效应的原理。外在自旋霍尔效应，由杂质、缺陷、声子等引起。当一自旋未极化的电流在金属中流过时，自旋-轨道相互作用对导电电子产生非对称散射，于是具有一特定方向的电子比相反方向的电子有较大的概率被散射到一边，而相反方向自旋方向的更容易被散射到另外一边。内禀自选霍尔效应源于材料的能带结构。由于自旋-轨道的相互作用，系统的电子能量谱发生改变，原本简并的能级发生分裂，结果使得有的自旋方向的电子能量低，反向的电子能级高，这样，当外场引起电子流时，就可能出现自旋流动。在非磁性材料中，自旋方向相反的电子，态密度一样，所以整个材料显示出非磁性的特点，而铁磁材料则由于交换作用，使得两个自旋方向上的态密度不相等，从而造成有净的磁矩产生，使得材料显示出铁磁性。值得一提的是，自旋向上的电子能带呈现出金属的导电特性，而自旋向下的电子能带呈现出绝缘体的导电特性。铁磁材料的原理利用二自旋电流模型，可以看到a对应的是低组态，而b对应的是高阻态，值得注意的是，电阻的大小与电流相对于磁化强度的方向无关，而与相邻铁磁层间磁化强度的相对方向有关磁阻效应的原理STT效应的原理STT（自旋角动量转移效应）就是磁阻效应的逆过程。当外加电流通过钉扎层时，电流被极化为与钉扎层磁化一致的方向，变成自旋极化电流，当极化电流通过自由曾是，与自由层的磁矩之间产生角动量转换，使得它与自由层的磁矩之间产生一个力矩，从而迫使自由层的磁化方向趋向与被钉扎层磁化一致。当电流方向相反时，电流首先通过自由层，它被自由层极化成为与之一致的极化电流，这个极化电流也会对被钉扎层产生STT效应，但是由于被钉扎的缘故，被钉扎层的磁矩不容易改变，同时，与自由层磁化方向相反的自由电子汇被钉扎成反射进而再次对自由层产生STT效应，最终使得自由层与被钉扎层的磁化呈现反平行排列