【大學(xué)課件】自旋電子學(xué)

自旋電子學(xué)自旋電子學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，結(jié)合了量子力學(xué)、固態(tài)物理和電子工程。它利用電子的自旋特性來開發(fā)新型電子器件和技術(shù)。引言定義自旋電子學(xué)研究電子自旋在固態(tài)系統(tǒng)中的行為和應(yīng)用。優(yōu)勢相比傳統(tǒng)電子學(xué)，自旋電子學(xué)具有更低功耗、更高速度和更多功能。應(yīng)用從存儲設(shè)備到量子計算，自旋電子學(xué)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。從電子的自旋說起自旋概念自旋是電子的一種內(nèi)稟屬性，類似于地球自轉(zhuǎn)。它是量子力學(xué)的基本概念之一。自旋狀態(tài)電子自旋有兩種狀態(tài)：自旋向上和自旋向下。這兩種狀態(tài)可以用來編碼信息。自旋與磁矩的關(guān)系自旋電子的內(nèi)稟角動量磁矩由自旋產(chǎn)生的微小磁場相互作用自旋與外部磁場的相互作用是自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)自旋的量子效應(yīng)量子疊加自旋可以同時處于向上和向下狀態(tài)的疊加。量子糾纏多個電子的自旋狀態(tài)可以相互關(guān)聯(lián)，形成糾纏態(tài)。量子隧穿自旋可以穿越經(jīng)典物理無法穿越的勢壘。自旋的相干性1相干時間自旋保持量子態(tài)的時間，對自旋操作至關(guān)重要。2退相干過程環(huán)境因素導(dǎo)致自旋量子態(tài)信息丟失。3保持相干性研究重點之一是延長自旋相干時間。自旋的態(tài)密度定義描述自旋向上和向下電子能級分布的函數(shù)。應(yīng)用用于解釋材料的磁性和自旋相關(guān)輸運特性。計算通過第一性原理計算或?qū)嶒灉y量獲得。鐵磁材料中的自旋1自發(fā)磁化自旋自發(fā)排列，產(chǎn)生宏觀磁場。2交換作用電子間的量子相互作用導(dǎo)致自旋排列。3磁疇結(jié)構(gòu)自旋在微觀區(qū)域內(nèi)一致排列。4磁滯現(xiàn)象外磁場改變材料磁化狀態(tài)的過程。自旋極化電子注入1源材料使用鐵磁材料作為自旋極化電子源。2界面控制優(yōu)化界面以提高自旋注入效率。3輸運過程自旋極化電子在非磁性材料中傳輸。4檢測利用自旋依賴效應(yīng)檢測自旋極化。自旋注入原理電流極化通過鐵磁/非磁界面時，電流變得自旋極化。自旋擴散極化電子在非磁材料中擴散，保持自旋信息。自旋弛豫自旋信息隨時間和距離逐漸衰減。自旋注入的應(yīng)用1磁隨機存取存儲器利用自旋態(tài)存儲信息，實現(xiàn)高速、低功耗存儲。2自旋邏輯器件使用自旋態(tài)進行邏輯運算，提高計算效率。3自旋傳感器檢測微弱磁場，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和地質(zhì)勘探。4量子計算利用自旋作為量子比特，實現(xiàn)量子信息處理。自旋閥的結(jié)構(gòu)與原理鐵磁層固定層：磁化方向固定。非磁間隔層分隔兩個鐵磁層。鐵磁層自由層：磁化方向可變。工作原理兩層磁化方向的相對取向決定電阻大小。巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)1988年由Fert和Grünberg獨立發(fā)現(xiàn)，獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎。原理自旋依賴散射導(dǎo)致平行和反平行磁化構(gòu)型的電阻差異。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于硬盤讀頭，大幅提高存儲密度。隧穿磁電阻效應(yīng)1結(jié)構(gòu)兩個鐵磁層之間夾著極薄的絕緣層。2原理電子通過量子隧穿效應(yīng)穿過絕緣層，電阻依賴于磁化方向。3優(yōu)勢比巨磁電阻效應(yīng)具有更高的磁電阻比。4應(yīng)用用于新一代磁隨機存取存儲器（MRAM）。自旋注入器件的制備薄膜沉積使用分子束外延或磁控濺射等技術(shù)沉積多層薄膜。光刻利用光刻技術(shù)定義器件結(jié)構(gòu)?？涛g通過濕法或干法刻蝕形成器件圖案。退火熱處理優(yōu)化材料性能和界面質(zhì)量。自旋晶體管結(jié)構(gòu)源極和漏極為鐵磁材料，溝道為半導(dǎo)體材料。原理利用自旋注入和檢測控制電流，實現(xiàn)自旋依賴的開關(guān)功能。優(yōu)勢相比傳統(tǒng)晶體管，具有更低的功耗和更高的集成度。自旋LED1自旋注入將自旋極化電子注入發(fā)光層。2自旋保持電子在發(fā)光層保持自旋極化。3輻射復(fù)合自旋極化電子與空穴復(fù)合發(fā)光。4圓偏振光發(fā)射圓偏振光，自旋信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號。自旋光電器件自旋光探測器利用自旋依賴吸收檢測光的偏振態(tài)。自旋激光器利用自旋極化載流子實現(xiàn)更高效的激光發(fā)射。自旋光調(diào)制器通過控制自旋態(tài)調(diào)制光的偏振或強度。自旋光學(xué)器件自旋偏振片利用自旋依賴透射實現(xiàn)光偏振控制。自旋光開關(guān)基于自旋態(tài)控制光的傳輸。自旋光濾波器選擇性透過特定自旋態(tài)相關(guān)的光。自旋軌道耦合定義電子的自旋與其軌道運動之間的相互作用。來源主要由相對論效應(yīng)和晶體內(nèi)電場梯度引起。影響導(dǎo)致自旋翻轉(zhuǎn)和自旋極化電流等現(xiàn)象。自旋軌道耦合的效應(yīng)1拉什巴效應(yīng)二維電子氣中由結(jié)構(gòu)不對稱性引起的自旋分裂。2德雅科諾夫-佩列爾效應(yīng)體材料中由晶格反演不對稱性引起的自旋分裂。3自旋霍爾效應(yīng)電流導(dǎo)致自旋向兩側(cè)累積的現(xiàn)象。自旋霍爾效應(yīng)電流縱向電流流過樣品。自旋分離不同自旋態(tài)電子向相反方向偏轉(zhuǎn)。自旋累積樣品兩側(cè)形成自旋極化。檢測通過光學(xué)或電學(xué)方法測量自旋積累。自旋霍爾效應(yīng)的應(yīng)用自旋電流產(chǎn)生利用自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生純自旋流，無需鐵磁材料。自旋檢測通過反自旋霍爾效應(yīng)將自旋信號轉(zhuǎn)換為電信號。磁矩操控利用自旋霍爾扭矩實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，應(yīng)用于磁存儲器。拓撲絕緣體1表面態(tài)表面存在受拓撲保護的自旋極化態(tài)。2體絕緣體內(nèi)為普通絕緣體。3自旋-動量鎖定表面電子的自旋與動量方向嚴格關(guān)聯(lián)。4應(yīng)用前景有望用于自旋電子學(xué)和量子計算。自旋電池原理利用自旋積累產(chǎn)生電動勢，將自旋信息轉(zhuǎn)化為電能。優(yōu)勢理論上可實現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率。研究狀態(tài)目前仍處于基礎(chǔ)研究階段，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。自旋納米機器人概念利用自旋控制納米尺度機器人的運動和功能。潛在應(yīng)用精確藥物遞送、納米尺度制造和環(huán)境監(jiān)測。挑戰(zhàn)自旋操控、能源供應(yīng)和納米尺度制造技術(shù)。自旋制冷原理利用自旋熵變實現(xiàn)制冷效果。材料使用具有強磁熱效應(yīng)的自旋材料。過程通過改變外磁場控制材料的自旋排列。優(yōu)勢潛在的高效、環(huán)保制冷技術(shù)。自旋電機概念利用自旋極化電流驅(qū)動的新型電機。原理自旋轉(zhuǎn)移扭矩驅(qū)動磁化旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機械運動。優(yōu)勢理論上可實現(xiàn)更高效率和更小尺寸。自旋波1定義磁性材料中自旋precession的集體激發(fā)。2特性可在納米尺度傳輸信息，頻率范圍廣。3應(yīng)用自旋波邏輯器件、信號處理和量子計算。4研究方向自旋波器件的設(shè)計、制備和集成。自旋電子學(xué)的未來發(fā)展方向器件微型化開發(fā)納米尺度自旋器件，提高集成度。能效提升進一步降低功耗，實現(xiàn)超低功耗計算。量子計算利用自旋作為量子比特，發(fā)展量子信息技術(shù)。類腦計算