自旋电子学

spintronics

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。

简介

硬盘磁头是自旋电子学领域中，最早商业化的产品。此外，尚有许多充满潜力的应用，例如磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等。自旋电子学对于构建具有新功能的微电子设备来说非常重要。

历史

1980年在固态器件中发现了与电子自旋有关的电子输运现象。开始出现了自旋电子学。

1985年约翰逊和西尔斯比观察到，铁磁金属把极化di电子注如入普通金属；艾伯特·费尔蒂等和彼得·格伦伯格发现巨磁电阻效应。还可追溯到梅泽夫和特德罗的铁磁和超导体隧道实验，以及1970年的祖利尔（Julliere）磁隧道结。利用半导体作磁电子学器件，可追溯到1990年达它（Datta）和达斯（Das）的理论提议自旋场效应二极管。

1988年，法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层膜中，观察到当施加外磁场时，其电阻变化率高达50%，因此称之为巨磁电阻效应。在反铁磁耦合的多层膜中，出现巨磁电阻的必要条件就是近邻磁层中的磁矩相对取向在外磁场的作用下可以发生变化，因此需要很高的外磁场才能观察到GMR效应，不适合于器件应用。

1995年，在Fe/Al2O3/Fe三明治结构中观察到很大的隧道磁电阻（Tunneling Magnetoresistance， TMR）现象，开辟了自旋电子学的又一个新方向。除了上面提到的磁性多层结构，半导体自旋电子学如磁性半导体，磁性/半导体复合材料，非磁性半导体量子阱和纳米结构中的自旋现象以及半导体的自旋注入的研究在GMR发现后也变得十分活跃，极大地丰富了自旋电子学的内容。

2023年3月，美国研发了一种制造自旋电子器件的突破性工艺，该工艺有可能成为半导体芯片新的行业标准。

应用

自旋电子中的自旋随机储存器的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系，还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器(Universal Memory)。例如，在发动机控制模块采用磁随机储存器以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势，在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。

此外，在物联网和大数据等新兴应用领域，泛在的传感器终端需要搜集数据，为节省存储功耗，使用非易失性存储器势在必行，基于自旋电子学原理的自旋随机储存器以其相对优良的性能成为热门的候选器件。

自旋注入和检测

自旋注入和检测是实现自旋电子器件最基本的条件。磁性材料半导体界面的自旋注入是最基本的自旋注入结构作为自旋极化源和检测的磁性材料电极有铁磁金属。磁性半导体和稀磁半导体三种磁性半导体有较高的自旋注入效率。但是磁性半导体，如硫化铕的生长极其困难。因此研究就集中在从稀磁半导体和铁磁金属向非磁半导体内的注入稀磁半导体的铁磁转变温度远低于室温! 虽然理论预测某些材料的铁磁转变温度可以高于室温。但是在开发出可以在室温下应用的稀磁半导体之前，铁磁金属半导体的接触仍然是实现从注入自旋操纵到检测全部电学控制的最有希望的方法。

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