自旋操控

在半导体中，自旋-轨道耦合(Spin-orbitcoupling，SOC)对自旋动力学影响非常大，并且正是由于自旋-轨道耦合的存在使得电学自旋操控成为可能。1

原理及研究发展GMR和TMR效应都是利用改变铁磁体的磁状态性质（平行或反平行）来实现对通过磁性多层结构系统的电流的控制。1996年，美国的Berger和Slonczewski分别独立地提出了上述效应的逆效应—自旋转移效应（Spintransfereffect），即利用通过系统的电流来实现对铁磁体磁状态的调控。当两个铁磁层的磁化方向取向存在一个夹角时，从一个铁磁层出来的自旋极化的电子通过中间层进入另一个铁磁层时，由于受到该铁磁体中分子场的作用，会使得自旋沿着该磁化方向取向，从而失掉了横向的自旋角动量。这部分横向角动量被铁磁体中的局域磁矩吸收，相当于对局域磁矩施加了一个力矩，叫自旋转移矩（Spintransfertorque），可以反过来改变铁磁体的磁状态，也可能引起自旋波的激发。自旋转移效应的物理根源在于传导电子和局域磁矩之间的交换作用。1998年，Tsoi等人用一根银制成的针尖通过点接触Co/Cu多层膜，向其中注入密度为109A/cm2的高强度电流，磁场加在垂直于膜面的方向，他们在点接触结的I-V特性曲线上观察到了台阶，证实了电流诱导的磁矩反转和局域磁激发，并发现这种电流诱导的磁激发只在一种电流方向下出现，阈值电压或电流与外磁场的大小成线性关系，这个结果给Slonczewski和Berger的预言提供了实验上的证据。此后，人们又在其它的自旋阀和磁性隧道结系统中观察到了自旋转移效应和由其引起的磁畴反转。

GMR和TMR效应都是利用了磁场来实现对电流的调控。如果不使用磁场，能否实现对自旋的操控，1971年,M.ID’yakonov和V.I.Perel从理论上预言，对于一个自旋-轨道耦合较强的电子系统，当给系统加上电流后，自旋向上的电子和自旋向下的电子将分别向系统的两边运动，形成自旋向上和向下的电势差，类似于Hall效应，被称为自旋霍尔效应（SpinHalleffect）。1999年，J.Hirsch对此进行了进一步地论证。2004年，一个由美国的Awschalom领导的实验小组和一个由英国的J.Wunderlich等人组成的联合实验小组分别在二维的具有自旋－轨道耦合的半导体中观察到了自旋霍尔效应。2007年，德国的L.W.Molenkamp和斯坦福大学张首晟领导的研究组在HgTe量子阱中实现了量子自旋霍尔绝缘态。实验表明，电子自旋可以在这个新的电子态中无阻流动，满足时间反演对称性。量子自旋霍尔效应中，在不需要磁场的情况下，自旋向上的电子和自旋向下的电子可以在系统的边缘态中以相反的方向无耗散的流动。2

作用自旋操控的研究极大地推动了凝聚态物理学和信息存储领域的快速发展，逐渐形成了一门新的学科―自旋电子学（Spintronics），即以自旋为基础的电子学。有别于传统的利用了电子电荷自由度的硅基微电子学器件，在自旋电子学器件中，电子的自旋成为信息储存、处理和输运的基本单元。基于电子自旋制造的高密度、高速度、低能耗、多功能、高度集成的新一代微电子器件，可望作为下一代高性能微处理器，在提高计算机运行速度、信息存储能力以及小型化等方面将发挥至关重要的作用，并极大地造福于人类。

比较在传统的微电子学器件如MOSFET中，人们通过调节门电压的大小来控制电子的密度，从而达到对通过该器件电流的控制，最终实现各种器件的功能。显然，这里仅利用了电子的电荷自由度。按照GordonMoore在1965年提出的经验定律的预期，每个芯片上的集成电路数目每18个月翻一番，价格下降一倍，计算能力相对于时间周期呈指数式上升。这一定律虽然依然准确、有效，而且不仅适用于存储器芯片，也适用于计算机的处理能力和磁盘驱动器存储容量的进展，但是这一快速发展也导致芯片上元器件的特征尺寸在急剧下降，正在逼近物理极限。

应用一般认为，当元器件的门宽度小于20nm时，由于电子的隧穿效应，会引起漏电流，从而导致器件的工作状态失稳。因此，不能一味地通过减小元器件的尺寸来提高计算机的处理能力。另一方面，随着芯片上集成电路数目的增多，器件的发热问题（可达100W/cm2）也成为影响提高计算机性能的一个重要因素。在这样的情况下，人们开始设想利用电子的另一个非经典自由度—自旋，另寻出路来提高计算机的运算能力。由于自旋相比于电荷来讲，自旋态具有较长的驰豫时间，不易被来自杂质和缺陷等的散射破坏掉，可以较容易进行操控，并且具有低能耗的特点。而GMR和TMR效应的快速发展，给这种可能性提供了很好的技术基础。自旋电子学的可能应用非常广泛，如高速高密度非挥发记忆元件，可重新装配的逻辑计算元器件，集成的磁光器件，利用自旋态的量子信息和量子计算器件，自旋场效应晶体管，自旋光发射二极管，磁性传感器，等等。从欧盟提出的欧洲纳米电子学技术路线图中，可以看出，除了一些传统的元器件以外，将包括分子电子学和自旋元器件等的新型器件也集成在内。在自旋电子学器件中，信息被储存在自旋向上或向下的状态中，自旋极化的电子在导线中运动的同时，也将携带的信息输送到目的地，然后信息在末端被读取。对自旋电子学器件来说，有如下几个关键因素必须加以考虑：一是如何产生自旋，如可以利用铁磁金属，稀磁半导体等；二是输运自旋，即如何从自旋极化的电子源中将自旋注入到金属和半导体中；三是操控自旋，即如何利用电场、磁场或光场对自旋进行调控；四是探测自旋，一般利用电探测或光探测手段。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所