自旋电子学和自旋流

传统的电子学完全忽略了电子自旋,这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向.自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础, 探讨研发新一代电子产品的可能性.文章简单介绍了自旋电子学的动机、物理基础以及研究内容,并重点介绍了在自旋电子学器件中起关键作用的自旋流.文章从自旋流的定义、它能产生的物理性质和最近有关自旋流探测的理论和实验进展等三个方面进行阐述.     

自旋电子学和计算机硬件产业

1988年发现的巨磁电阻(GMR)效应,是基于自旋的新电子学的开始.文章介绍观察效应的物理基础,以及这些效应和材料在信息存储上的应用.GMR硬盘(HDD)已经形成了数十亿美元的工业;其后发现的室温隧道磁电阻(TMR)效应已用于制造新的磁随机存储器(MRAM),它正在开创另一个数十亿美元的工业.自旋电子学研究的物理对象是自旋向上和自旋向下的载流子,而传统半导体电子学的对象是电荷为正和电荷为负的载流子,即空穴和电子.电子自旋特性进入半导体电子学,为新的器件创造了机会.为了成功地将电子自旋结合到半导体微电子技术中去,需要解决磁性原子自旋极化状态的控制,以及自旋极化载流子电流的有效注入、传输、控制、操纵和检测.评述了基于电子自旋的新器件原理、新材料的探索以及自旋相干态的光学操纵.     

量子阱中电子自旋注入及弛豫的飞秒光谱研究

采用飞秒脉冲的饱和吸收光谱方法研究了GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的注入和 弛豫特性，测得电子自旋极化弛豫时间为80±10ps.说明了电子自旋 轨道耦合相互作用引 起局域磁场的随机化，是导致电子的自旋极化弛豫的主要机理. 关键词： 自旋电子学 半导体量子阱 飞秒激光光谱 自旋 轨道耦合     

自旋电子学和计算机硬件产业

1988年发现巨磁电阻（GMR）效应，是基于自旋的新电子学的开始。文章介绍观察效应的物理基础，以及这些效应和材料在信息存储上的应用。GMR硬盘（HDD）已经形成了数十亿美元的工业；其后发现的室温隧道磁电阻（TMR）效应已用于制造新关磁随机存储器（MRAM），它正在开创另一个数十亿美元的工业。自旋电子学研究的物理对象是自旋向上和自旋向下的载流子，而传统半导体电子学的对象是电荷为正和电荷为负的载流子，即空穴和电子。电子自旋特性进入半导体电子学，为新的器件创造了机会。为了成功地将电子自旋结合到半导体微电子技术中去，需要解决磁性原子自旋极化状态的控制，以及自旋极化载流子电流的有效注入、传输、控制、操纵和检测。评述了基于电子自旋的新器件原理、新材料的探索以及自旋相干态的光学操纵。     

有机自旋电子学

文章介绍了有机半导体同自旋电子学相结合的新学科——有机自旋电子学．着重讨论以下三个方面问题：有机半导体特别是有机共轭聚合物特性及其载流子性质；自旋电子学研究热点；有机自旋电子学研究进展．     

自旋Seebeck效应简介

自旋电子学作为一个新兴的学科,是未来电子学发展的重要方向之一.而近年来发现的自旋泽贝克（Seebeck）效应则为自旋电子学的研究提供了不少新现象.文章通过对自旋Seebeck效应的一些科研进展的介绍,较详尽地阐明了自旋Seebeck效应的定义和常用的利用逆自旋霍尔（Hall）效应来进行观测的机制与方法,并对不同种类材料中的自旋Seebeck效应及其可能的成因进行了分析介绍.     

半金属磁性材料

半金属材料的一个重要特征为具有高达100%的传导电子自旋极化率。半金属磁性材料是一种具有极大的应用潜能的自旋电子学材料。本文从半金属性的来源、材料的晶体结构、半金属的电子态和电磁特性等不同角度对半金属材料进行了系统分类。对现已发现的几种半金属材料的基本性质和原子结构特征进行了综述。分别对5种传导电子自旋极化率的测量方法进行了分析和讨论。     

半金属磁性材料

半金属材料的一个重要特征为具有高达100%的传导电子自旋极化率。半金属磁性材料是一种具有极大的应用潜能的自旋电子学材料。本文从半金属性的来源、材料的晶体结构、半金属的电子态和电磁特性等不同角度对半金属材料进行了系统分类。对现已发现的几种半金属材料的基本性质和原子结构特征进行了综述。分别对5种传导电子自旋极化率的测量方法进行了分析和讨论。     

自旋电子学器件中的相对论效应

按照美国加州大学自旋电子学和量子计算研究中心教授AwschalomDD的观点,自旋电子学器件可以分为三个层次.其一是基于铁磁性金属的器件,其二则要求自旋注入半导体,其三是单电子自旋器件.自旋场效应晶体管(FET)属于上述第二类(目前,它还只是一个设计方案) ,它要求通过门电极电场控制源-漏极之间电子自旋的进动,而不像在传统的FET中,通过门电场的静电力控制电流通道中载流子的浓度.它们的基本差别在于,前者涉及到相对论效应.静止的小磁体(如电子自旋)只能因磁场的作用而取向,它们不会受到电场的影响.然而,当一个电子在两块平行电容极板之间…     

自旋电子学和相干态

自旋电子学是近年来发展起来的一个新研究领域,它研究固体,特别是半导体中的电子自旋相干态,实验发现,自旋相干态能够保持足够长的时间（几百ps量级）,因此有可能用来制造一个固态的量子计算机,但是制造实际的自旋电子器件,首先需要解决的是将自旋极化电子（或穴穴）注入半导体中的方法和如何检测它们。     

Co和Mn共掺杂ZnO铁磁性的第一性原理

基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),对Co单独掺杂ZnO和(Co,Mn)共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO、Co-ZnO及(Co,Mn)共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度,并对此进行了详细的分析。计算结果表明,ZnO中单独掺杂Co元素显示出铁磁性行为,Mn的引入减弱了Co-ZnO的铁磁性。     

电子的谷自由度

电子在晶格周期性势场影响下的运动遵循布洛赫定理. 布洛赫电子除了具有电荷和自旋两个内禀自由度外, 还有其他内禀自由度. 能带色散曲线上的某些极值点作为谷自由度, 具有独特的电子结构和运动规律. 本文从布洛赫电子的谷自由度出发, 简单介绍传统半导体的谷电子性质研究现状, 并重点介绍新型二维材料体系, 如石墨烯、硅烯、硫族化合物等材料中谷相关的物理特性. 有效利用谷自由度的新奇输运特性, 将其作为信息的载体可以制作出新颖的纳米光电子器件, 并有望造就下一代纳电子器件的新领域, 即谷电子学(valleytronics).     

自旋电子学研究与进展

自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支，它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵，在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的输运和自旋电子检测．由于它在信息存储方面的重大应用前景，受到学术界和工业界的高度重视．文章扼要地介绍了自旋电子学发展的历程和发展中的最重要的发现．最近几年，最奇特的发现和最重要的应用莫过于巨磁电阻，薄膜领域纳米技术的迅速发展使巨磁电阻的应用变成可能．作为磁记录头它已使硬磁盘的记录密度提高到170Gbit／in^2．动态随机存储器MRAM的研究已实现16Mbit的存储密度．     

Dilute magnetic semiconductor nanowires

Semiconductor materials form the basis of modern electronics, communication, data storage and computing technologies. One of today’s challenges for the development of future technologies is the realization of devices that control not only the electron charge, as in present electronics, but also its spin, setting the basis for future spintronics. Spintronics represents the concept of the synergetic and multifunctional use of charge and spin dynamics of electrons, aiming to go beyond the traditional dichotomy of semiconductor electronics and magnetic storage technology. The most direct method to induce spin-polarized electrons into a semiconductor is by introducing appropriate transition-metal or rare-earth dopants producing a dilute magnetic semiconductor (DMS). At the same time the seamless integration of future spintronic devices into nanodevices would require the fabrication of one-dimensional DMS nanostructures in well-defined architectures. In this review we focus on recent advances in the synthesis of DMS nanowires as well discussing the structural, optical and magnetic properties of these materials. PACS 75.75.+a; 81.07.Vb; 68.65.La     

Proposal for a new class of materials: spin gapless semiconductors

The concept of the spin gapless semiconductor in which both electron and hole can be fully spin polarized is proposed, and its possibility is presented on the basis of first-principles electronic structure calculations. Possible new physics and potential applications in spintronic devices based on the spin gapless semiconductors are discussed.     

Organic-Inorganic Hybrid Spin-Valve: A Novel Approach to Spintronics

The combined use of highly correlated solids opens the possibility to explore new phenomena and to generate new hybrid devices for Spintronics. We have recently demonstrated the spin injection of carriers into an organic semiconductor, sexithienyl (T 6 ). A spin-valve device has been realized by using two colossal magnetoresistance (CMR) half metallic electrodes separated by the organic semiconductor. The total magnetoresistance as large as 30% was detected for channel lengths lower than 140 nm.     

Dynamical Theory of X-Ray Diffraction for Restricted Beams: I. Coherent Scattering by a Porous Crystal

The processes of electron spin dynamics in a hybrid nonresonance structure, which includes a layer of a diluted magnetic II–Mn–VI semiconductor and an asymmetric quantum well (QW) of a nonmagnetic III–V semiconductor, are experimentally studied. The nonresonance of the structure is determined by the fact that the level of the ground state of the magnetic layer falls into the range of the excited states of the nonmagnetic QW. The electron polarization in the ground thermalized state of QW is found not to depend on the magnetic part of the structure. However, the magnetic part affects the electron polarization in the excited state via spin injection from the magnetic semiconductor and the mixing of the electronic states of the magnetic and nonmagnetic subsystems of the structure. The possibility of controlling the polarization of an electron spin by carrier excitation toward the region of mixed states along with the absence of depolarizing influence of the magnetic semiconductor on carriers in the thermalized state of QW can be applied to design new spintronic devices along with those that use spin injection, optical orientation, and depolarization.     

Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体多层结构中的自旋极化隧穿

采用转移矩阵法和Airy函数,研究了ZnSe/ZnMnSe/ZnSe/ZnBeSe/ZnSe/ZnBeSe/ZnSe异质结构的自旋极化输运。在外加偏压和磁场对电子透射系数和自旋极化率的影响方面,所得到的结论显现出复杂而有趣的特性。磁场对自旋向上和向下电子隧穿的影响是不同的:对于自旋向上情况,出现双共振向单共振转换现象。