磁性物质中的电荷-自旋输运课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁性物质中的电荷自旋输运,各种磁电阻效应,*,巨磁电阻（GMR）效应Mott两流体模型,*隧道磁电阻（TMR）效应Julliere 公式,*自旋电子学Schmidt障碍,*CMR效应Zener双交换模型,磁性物质中的电荷自旋输运各种磁电阻效应,1,极地光,极地光,2,磁场中的电子（Lorentz力）,极地光,托克马克,磁控溅射,电子显微镜,电子的自旋,正常磁电阻,磁场中的电子（Lorentz力）极地光,3,铁磁金属能带,镍的电子状态密度 DOSdiligent electronslazy electrons,铁磁金属能带镍的电子状态密度 DOSdiligen,4,能带的交换劈裂导致物性的自旋极化,电子的两个自旋子带，状态密度（DOS）不等,1，自发磁矩,来源于 整体（,lazy electrons）,2，电流极化,来源于Fermi面附近（,diligent electrons,）,能带的交换劈裂导致物性的自旋极化 电子的两个自旋子带，状态,5,Mott 二流体模型（1936）,TTc,两种电子之间的“自旋翻转”,可以忽略,。,近似地，,总电阻,是,独立的,两个自旋电子流的电阻值。,（）/（）,铁磁金属的Fermi面附近，s与 d电子共存。,散射几率“自旋极化”,Mott 二流体模型（1936）TTc,两种电子之间,6,各向异性磁电阻（AMR）,正、负磁电阻效应,发现：,W Thomson,Proc.Roy.Soc.8,p546(1857),物理：,自旋轨道作用,降低了波函数的对称性。,磁晶各向异性。,(1940）,铁磁体的各向异性磁电阻解释（AMR）,(1951),自旋Hall效应（SHE）,(1999),各向异性磁电阻（AMR）正、负磁电阻效应,7,层间AFM耦合（1986）,层间AFM耦合（1986）,8,GMR效应,1988，A.Fert等，Gruenberg等,GMR效应,9,TMR 的再发现,1995年 Miyazaki(JMMM),TMR 的再发现1995年 Miyazaki(JMMM),10,必要条件,两个特征长度：,长程交换耦合 2纳米,（Cr 1。8nm；Cu 1。2nm）,平均自由程 L 10纳米,多层膜中单层厚度t：,接近，但是要远小于 L。,必要条件 两个特征长度：,11,特征长度和表征方法,1A 1nm 10nm 100nm,Direct exchange length,RKKY exchange length,Magnetic dipolar length.,Mean free path,.,Spin diffusion length,.,XRD.,TEM.,SEM,SPM.,特征长度和表征方法,12,GMR和TMR的应用,成绩：HDR 的 读出磁头,MRAM,原理：,磁场控制电阻,磁敏电阻，被动器件！,需要：主动器件？控制电流。,全金属GMR晶体管太困难，,功率放大？,迁移率低+结区宽,GMR和TMR的应用 成绩：HDR 的 读出磁头,13,GMR和TMR的应用（续）,1，Bipolar Spin transistor,无功率增益,2，Spin field-effect transistor,金属电极半导体通道金属,存在spin injection 问题,3，Spin valve transistorPt/Co/Cu/Co,集电极电流太低，信噪比低,4，Spin single-electron tunneling devices,自旋堆积产生的非平衡态问题,GMR和TMR的应用（续）1，Bipolar Spin tr,14,自旋电子学的提出,（1）,物理,和主动（active）,器件,（2）要求和进展,自旋弛豫长度很长,提高自旋注入效率,磁性半导体 作为“自旋源”,光学、电学方法进展,自旋电子学的提出（1）物理和主动（active）器件,15,庞磁电阻（CMR）,（1）,CMR的再发现,薄膜技术,Jonker and van Santen(1950),Jin,，,Tiefel et al(1994),庞磁电阻（CMR）（1）CMR的再发现,16,庞磁电阻（CMR）,（续）,（2）,为甚麽有兴趣？,Mott绝缘体,高温超导、CMR、重费米子、巡游电子、量子Hall效应,强关联电子体系,超越“传统的能带理论”。,庞磁电阻（CMR）（续）（2）为甚麽有兴趣？,17,几种MR效应物理理解上的进展,表现相似、本质迥异,AMR,GMR,TMR,能带理论,基础上的“散射过程”。,CMR,非能带理论,的“强关联跃迁过程”。,几种MR效应物理理解上的进展 表现相似、本质迥异,18,磁性物质中的电荷-自旋输运课件,19,CMR,La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜 在稍低于Tc时的,扫描隧道谱（看下一张图）,随磁场增加,共存的绝缘相与金属相团簇,此消彼长,Science 285,(1999)1540,CMR La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜 在稍低于T,20,磁性物质中的电荷-自旋输运课件,21,各种“电子学”,1，,电荷电子学,电压（改变）电荷状态，（控制）电流,2，,磁电子学,磁场（改变）磁矩状态电子（控制）电阻,3，,自旋电子学,电场或光（改变）电荷自旋状态（控 制）电流,4，,轨道电子学,电场或光（改变）轨道状态（控制）电流,各种“电子学”1，电荷电子学,22,轨道电子学？,激光电场改变轨道状态，然后回复。,（看下一张图）,时间分辨的偏振光显微镜的有序态的像。,脉冲激光（E 1.5eV）照射La0.5Sr1.5MnO4 平面。,经过 1 ms 后，轨道状态恢复原状。,轨道电子学？激光电场改变轨道状态，然后回复。,23,激光电场改变轨道状态,激光电场改变轨道状态,24,结束,结束,25,