磁學研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、整理課件磁學研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢磁學研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢整理課件p 現(xiàn)代磁學發(fā)展簡史現(xiàn)代磁學發(fā)展簡史p 新磁學新磁學研究的特點與發(fā)展趨勢研究的特點與發(fā)展趨勢p 新磁學新磁學研究方向研究方向p 舉例舉例報報 告告 內內 容容整理課件 1894年年 居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實驗定律（居居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實驗定律（居里定律）里定律） 1905年朗之萬將經(jīng)典統(tǒng)計學應用到原子磁矩系統(tǒng)上，推導出年朗之萬將經(jīng)典統(tǒng)計學應用到原子磁矩系統(tǒng)上，推導出居里定律居里定律 1907年外斯（年外斯（Weiss）假設分子場，解釋了自發(fā)磁化。）假設分子場，解釋了自發(fā)磁化。 經(jīng)典磁學的困難：無法解釋原子磁

2、矩的大小；不能說明分子經(jīng)典磁學的困難：無法解釋原子磁矩的大小；不能說明分子場的起源。場的起源。 1924年烏倫貝克和古德施密特發(fā)現(xiàn)電子自旋年烏倫貝克和古德施密特發(fā)現(xiàn)電子自旋-量子力學效應量子力學效應 1926年海森堡揭示了分子場的微觀機制年海森堡揭示了分子場的微觀機制-交換作用交換作用 斯托納、斯萊特和莫特提出巡游電子模型斯托納、斯萊特和莫特提出巡游電子模型-過渡金屬的非整過渡金屬的非整數(shù)磁矩數(shù)磁矩現(xiàn)代磁學發(fā)展簡史現(xiàn)代磁學發(fā)展簡史整理課件在基本磁學問題研究取得不斷進展的同時，磁性材料的應在基本磁學問題研究取得不斷進展的同時，磁性材料的應用也得到了快速發(fā)展。在工業(yè)化潮流的推動下，用也得到了快速發(fā)

3、展。在工業(yè)化潮流的推動下，上個世紀上個世紀早期低矯頑力的軟磁材料迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了硅鋼、坡早期低矯頑力的軟磁材料迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了硅鋼、坡莫合金等軟磁材料。莫合金等軟磁材料。之后，在無線電技術需求的推動下，之后，在無線電技術需求的推動下，40年代又發(fā)展了適用于射頻的磁粉介質、鐵氧體材料，特年代又發(fā)展了適用于射頻的磁粉介質、鐵氧體材料，特別是后者，為電子技術帶來了翻天覆地的變革。別是后者，為電子技術帶來了翻天覆地的變革。和軟磁材和軟磁材料不同，去掉磁場后仍能保持磁性的材料稱為永磁材料。料不同，去掉磁場后仍能保持磁性的材料稱為永磁材料。按照磁體成分劃分，按照磁體成分劃分，永磁材料的發(fā)展歷程可以

4、分為三個階永磁材料的發(fā)展歷程可以分為三個階段段。第一階段：金屬磁體題，碳鋼、鎢鋼及鈷鋼等；第二第一階段：金屬磁體題，碳鋼、鎢鋼及鈷鋼等；第二階段：鐵氧體；第三階段：稀土永磁材料。永磁材料在微階段：鐵氧體；第三階段：稀土永磁材料。永磁材料在微波通訊、音像和數(shù)字紀錄、信息技術以及工業(yè)、國防和日波通訊、音像和數(shù)字紀錄、信息技術以及工業(yè)、國防和日程生活等各領域的應用極為廣泛。程生活等各領域的應用極為廣泛?，F(xiàn)代磁學發(fā)展簡史現(xiàn)代磁學發(fā)展簡史 整理課件新磁學研究是以自旋電子學概念的提出為起點的。新磁學研究是以自旋電子學概念的提出為起點的。電子具有電荷電子具有電荷和自旋自由度，但傳統(tǒng)的微電子學器件功能設計主要

5、是基于電荷，和自旋自由度，但傳統(tǒng)的微電子學器件功能設計主要是基于電荷，忽略了自旋自由度。實際上，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)忽略了自旋自由度。實際上，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)低維納低維納米尺度米尺度的體系中自旋自由度在很多方面優(yōu)于電荷，例如的體系中自旋自由度在很多方面優(yōu)于電荷，例如退相干時退相干時間長、能耗低等間長、能耗低等。充分利用電子的自旋屬性，有可能獲得。充分利用電子的自旋屬性，有可能獲得功能更功能更強大、操控更方便、處理速度更快強大、操控更方便、處理速度更快的新一代微電子器件。以此為的新一代微電子器件。以此為契機，作為凝聚態(tài)物理的一個新的分支契機，作為凝聚態(tài)物理的一個新的分支-自旋電子學出

6、現(xiàn)了。自旋電子學出現(xiàn)了。p 經(jīng)過近一個世紀的探索，對傳統(tǒng)磁性基本問題的認識逐漸趨于成熟經(jīng)過近一個世紀的探索，對傳統(tǒng)磁性基本問題的認識逐漸趨于成熟p 盡管還存在一些有待于進一步澄清的問題，整體來講基本磁學理論已經(jīng)盡管還存在一些有待于進一步澄清的問題，整體來講基本磁學理論已經(jīng)建立，對磁相關現(xiàn)象的認識不斷深化，從表面到本質、從宏觀到微觀，解釋建立，對磁相關現(xiàn)象的認識不斷深化，從表面到本質、從宏觀到微觀，解釋也逐漸趨于完善。也逐漸趨于完善。p 對非強電子關聯(lián)磁系統(tǒng)，已經(jīng)可以從理論上準確預言體系的基態(tài)磁結構、對非強電子關聯(lián)磁系統(tǒng)，已經(jīng)可以從理論上準確預言體系的基態(tài)磁結構、磁化強度、電子自旋極化率。磁化強

7、度、電子自旋極化率。p 有關傳統(tǒng)固體軟磁和硬磁性的研究，已逐漸成為材料科學問題，而較少有關傳統(tǒng)固體軟磁和硬磁性的研究，已逐漸成為材料科學問題，而較少在凝聚態(tài)物理領域討論了，磁學研究的重心逐漸從傳統(tǒng)磁學轉向以自旋電子在凝聚態(tài)物理領域討論了，磁學研究的重心逐漸從傳統(tǒng)磁學轉向以自旋電子學為標志的新磁學研究。學為標志的新磁學研究。現(xiàn)代磁學現(xiàn)代磁學新磁學過渡新磁學過渡微電子技術微電子技術信息技術信息技術納米科技納米科技新概念新概念新效應新效應新規(guī)律新規(guī)律整理課件p自旋電子學和半導體物理的交叉融合自旋電子學和半導體物理的交叉融合。以半導體作為自旋輸運、操縱的載體，。以半導體作為自旋輸運、操縱的載體，探索自

8、旋運動規(guī)律，實現(xiàn)磁調控與電調控的有機結合。結合了磁性物理與半導探索自旋運動規(guī)律，實現(xiàn)磁調控與電調控的有機結合。結合了磁性物理與半導體物理的磁性半導體、稀磁半導體是過去十年中凝聚態(tài)物理的重點研究方向之體物理的磁性半導體、稀磁半導體是過去十年中凝聚態(tài)物理的重點研究方向之一一p 與信息物理、技術的交叉。與信息物理、技術的交叉。信息技術的關鍵是信息的存儲、傳輸與處理。信息技術的關鍵是信息的存儲、傳輸與處理。磁記錄在一個時期內將仍然是超高密度信息存儲的主要技術。同時，以巨磁電磁記錄在一個時期內將仍然是超高密度信息存儲的主要技術。同時，以巨磁電阻效應為基礎的更先進的信息讀寫技術已得到廣泛應用，以隧道磁電阻

9、效應為阻效應為基礎的更先進的信息讀寫技術已得到廣泛應用，以隧道磁電阻效應為基礎的磁隨機存儲器的研制也取得了階段性成果。已有研究結果表明基礎的磁隨機存儲器的研制也取得了階段性成果。已有研究結果表明:非磁性非磁性半導體中各種自旋具有相當長的相干時間長度，且可受光、電控制半導體中各種自旋具有相當長的相干時間長度，且可受光、電控制,利用自旋利用自旋的量子相干過程可能實現(xiàn)固態(tài)量子計算和量子通訊，引領新一代信息技術的量子相干過程可能實現(xiàn)固態(tài)量子計算和量子通訊，引領新一代信息技術1.1.更加注重更加注重和其他學科的交叉融合和其他學科的交叉融合新磁學研究的特點與發(fā)展趨勢新磁學研究的特點與發(fā)展趨勢 整理課件p

10、和表面和表面/界面物理的交叉。界面物理的交叉。由于表面、界面的對稱破缺、獨特的層間耦合以由于表面、界面的對稱破缺、獨特的層間耦合以及增強的量子漲落效應，自旋相關問題例如自旋及增強的量子漲落效應，自旋相關問題例如自旋-軌道耦合、自旋相干性在這軌道耦合、自旋相干性在這里得到更突出的體現(xiàn)。一個典型的例子是對二維電子氣系統(tǒng)（例如石墨?。┳岳锏玫礁怀龅捏w現(xiàn)。一個典型的例子是對二維電子氣系統(tǒng)（例如石墨?。┳孕鞯漠a(chǎn)生與輸運規(guī)律研究以及通過旋流的產(chǎn)生與輸運規(guī)律研究以及通過 Rashba 效應對二維電子自旋輸運行為效應對二維電子自旋輸運行為的調控。另外一個例子是低維磁性問題的研究。當維度降低到可以與特征關聯(lián)

11、的調控。另外一個例子是低維磁性問題的研究。當維度降低到可以與特征關聯(lián)長度相比時的特殊磁性、特殊界面問題、交換偏置問題。長度相比時的特殊磁性、特殊界面問題、交換偏置問題。p 與關聯(lián)電子問題的交叉。與關聯(lián)電子問題的交叉。關聯(lián)量子現(xiàn)象的一個共同特征，是存在電荷、自關聯(lián)量子現(xiàn)象的一個共同特征，是存在電荷、自旋、軌道、晶格等多種自由度或超導有序、旋、軌道、晶格等多種自由度或超導有序、磁性有序、磁性有序、電荷有序、軌道有序等電荷有序、軌道有序等多種有序相的共存和競爭。關聯(lián)量子材料發(fā)現(xiàn)的各種新穎的量子現(xiàn)象正是來源多種有序相的共存和競爭。關聯(lián)量子材料發(fā)現(xiàn)的各種新穎的量子現(xiàn)象正是來源于這些自由度或有序相的相互作

12、用。于這些自由度或有序相的相互作用。在不同的材料或不同的外界環(huán)境中，不同在不同的材料或不同的外界環(huán)境中，不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，這導致了關聯(lián)量子材料豐富的量子相態(tài)自由度扮演的角色和重要性是不同的，這導致了關聯(lián)量子材料豐富的量子相態(tài)。探索體系在不同相之間的電子結構的演化規(guī)律，研究關聯(lián)電子系統(tǒng)中各種自由探索體系在不同相之間的電子結構的演化規(guī)律，研究關聯(lián)電子系統(tǒng)中各種自由度隨參數(shù)改變而導致的電子結構的改變，對于探索相關量子效應的起源，研究度隨參數(shù)改變而導致的電子結構的改變，對于探索相關量子效應的起源，研究更有效的量子調控機理尤為重要。更有效的量子調控機理尤為重要。龐磁電阻效應龐磁電阻效

13、應多鐵性現(xiàn)象多鐵性現(xiàn)象奇異表面奇異表面/界面關聯(lián)效應界面關聯(lián)效應磁學研究的特點與發(fā)展趨勢磁學研究的特點與發(fā)展趨勢 整理課件p 傳統(tǒng)磁學關注磁矩之間的相互作用導致的集體激發(fā)行為，注重傳統(tǒng)磁學關注磁矩之間的相互作用導致的集體激發(fā)行為，注重宏觀統(tǒng)計宏觀統(tǒng)計行行為的研究。統(tǒng)計平均往往抹平了為的研究。統(tǒng)計平均往往抹平了自旋的量子特性自旋的量子特性。與此不同，現(xiàn)代磁學更。與此不同，現(xiàn)代磁學更關心關心自旋的運動學與動力學行為自旋的運動學與動力學行為，自旋個體的輸運規(guī)律自旋個體的輸運規(guī)律、自旋弛豫行為以、自旋弛豫行為以及及自旋相干性自旋相干性的演變等，更加關注自旋的量子特性。的演變等，更加關注自旋的量子特性。

14、 磁學研究的特點與發(fā)展趨勢磁學研究的特點與發(fā)展趨勢 2.2.更加注重自旋個體運動規(guī)律的探索更加注重自旋個體運動規(guī)律的探索p 自旋電子學利用自旋自由度作為信息傳輸?shù)妮d體自旋電子學利用自旋自由度作為信息傳輸?shù)妮d體,其關鍵是要達到對固態(tài)系其關鍵是要達到對固態(tài)系統(tǒng)中自旋自由度的有效操控。通過自旋統(tǒng)中自旋自由度的有效操控。通過自旋-軌道耦合、自旋軌道耦合、自旋-電荷耦合及電荷耦合及自旋自旋轉移力矩效應轉移力矩效應，利用，利用電場、光場結合磁場實現(xiàn)自旋態(tài)的調控電場、光場結合磁場實現(xiàn)自旋態(tài)的調控，而傳統(tǒng)磁學，而傳統(tǒng)磁學則主要利用磁場。一個典型的例子是則主要利用磁場。一個典型的例子是自旋霍爾效應的研究自旋霍爾

15、效應的研究。對非磁性半導。對非磁性半導體施加外電場體施加外電場,自旋自旋-軌道耦合會導致在與電場垂直的方向上產(chǎn)生自旋流軌道耦合會導致在與電場垂直的方向上產(chǎn)生自旋流,同同時在樣品的兩個邊界處形成取向相反的自旋積累，利用這一物理效應可能時在樣品的兩個邊界處形成取向相反的自旋積累，利用這一物理效應可能實現(xiàn)自旋累積，產(chǎn)生自旋流。另外一個例子是自旋極化電流對固態(tài)磁矩的實現(xiàn)自旋累積，產(chǎn)生自旋流。另外一個例子是自旋極化電流對固態(tài)磁矩的調控。當自旋極化電流通過納米尺寸的鐵磁薄膜時調控。當自旋極化電流通過納米尺寸的鐵磁薄膜時,與多層膜磁矩的散射會與多層膜磁矩的散射會導致自旋角動量由傳導電子到薄膜磁矩的轉移導致自

16、旋角動量由傳導電子到薄膜磁矩的轉移,引起薄膜磁矩的不平衡引起薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生發(fā)生轉動、進動甚至磁化方向翻轉。橢圓偏振光對電子的選擇性激發(fā)也是產(chǎn)生轉動、進動甚至磁化方向翻轉。橢圓偏振光對電子的選擇性激發(fā)也是產(chǎn)生自旋極化電流一種方式。自旋極化電流一種方式。3.3.更加注重自旋態(tài)的多場調控研究更加注重自旋態(tài)的多場調控研究整理課件1.1.更加注重和其他學科的交叉融合更加注重和其他學科的交叉融合2.2.更加注重自旋個體運動規(guī)律的探索更加注重自旋個體運動規(guī)律的探索3.3.更加注重自旋態(tài)的多場調控研究更加注重自旋態(tài)的多場調控研究整理課件電子具有兩個重要屬性：電子具有兩個重要屬性：電荷與自旋電荷與自旋。

17、很多重要的物理發(fā)現(xiàn)例如導電性、超。很多重要的物理發(fā)現(xiàn)例如導電性、超導電性、巡游磁性、巨磁電阻效應及微電子器件的各種功能都和電荷輸運過導電性、巡游磁性、巨磁電阻效應及微電子器件的各種功能都和電荷輸運過程密切相關。程密切相關。p 自旋相關輸運問題包括自旋相關輸運問題包括自旋流的自旋流的產(chǎn)生、調控產(chǎn)生、調控、輸運規(guī)律、自旋相干性、輸運規(guī)律、自旋相干性、自、自旋動力學行為以及旋動力學行為以及相應的檢測方法技術相應的檢測方法技術的研究。的研究。p 稀磁半導體（包括氧化物稀磁半導體與常規(guī)稀磁半導體）的研究，主要目稀磁半導體（包括氧化物稀磁半導體與常規(guī)稀磁半導體）的研究，主要目的之一就是為了獲得高自旋注入效

18、率的之一就是為了獲得高自旋注入效率p 利用自旋利用自旋軌道耦合特性，采用電場控制不同自旋取向載流子的分布，即軌道耦合特性，采用電場控制不同自旋取向載流子的分布，即自旋霍爾效應，也是一種獲得自旋流的方式。新自旋流產(chǎn)生方法原理、技術自旋霍爾效應，也是一種獲得自旋流的方式。新自旋流產(chǎn)生方法原理、技術仍然是一個重要的研究課題仍然是一個重要的研究課題p 有機半導體因為其弱自旋有機半導體因為其弱自旋-軌道耦合引起人們的極大關注，在這里自旋具軌道耦合引起人們的極大關注，在這里自旋具有相當長的擴散距離。但是有機半導體的主要輸運方式為極化子導電，具有有相當長的擴散距離。但是有機半導體的主要輸運方式為極化子導電，

19、具有強電強電-聲耦合，常常產(chǎn)生不利影響。而常規(guī)稀磁半導體作為自旋載體，居里聲耦合，常常產(chǎn)生不利影響。而常規(guī)稀磁半導體作為自旋載體，居里溫度常常過低。由此可見，新自旋流載體探索是未來一個時期磁電子學研究溫度常常過低。由此可見，新自旋流載體探索是未來一個時期磁電子學研究的關鍵的關鍵p 由于量子點的零維特性由于量子點的零維特性,電子的軌道態(tài)是量子化的電子的軌道態(tài)是量子化的,電子自旋態(tài)由于自旋翻電子自旋態(tài)由于自旋翻轉機制的有效抑制而變得十分穩(wěn)定，被認為是量子比特的最佳選擇。作為新轉機制的有效抑制而變得十分穩(wěn)定，被認為是量子比特的最佳選擇。作為新磁學的外延領域，低維體系的自旋動力學問題也應該得到進一步的

20、關注。磁學的外延領域，低維體系的自旋動力學問題也應該得到進一步的關注。 磁學研究方向磁學研究方向 1.1.自旋輸運及自旋動力學問題自旋輸運及自旋動力學問題 時間分辨時間分辨 空間分辨空間分辨 自旋自旋 HallHall 自旋熱電自旋熱電 自旋注入自旋注入 新方法新方法整理課件由于自旋由于自旋-軌道耦合、自旋軌道耦合、自旋-電荷耦合、自旋電荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各種形式的外部晶格耦合的存在，各種形式的外部/內內部擾動通過對軌道的影響、對電荷序的影響、甚至通過自旋轉矩傳遞明顯影響系部擾動通過對軌道的影響、對電荷序的影響、甚至通過自旋轉矩傳遞明顯影響系統(tǒng)的自旋結構統(tǒng)的自旋結構/序與自旋態(tài)。由

21、于多場調控與磁調控原理方法上的不同，影響途徑序與自旋態(tài)。由于多場調控與磁調控原理方法上的不同，影響途徑不同，作用的結構層次不同，突出的物理問題不同，可以導致新物理原理、新物不同，作用的結構層次不同，突出的物理問題不同，可以導致新物理原理、新物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及物性調控的空間。磁性體系的非磁量子調控的相關問題應該是理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及物性調控的空間。磁性體系的非磁量子調控的相關問題應該是磁學研究在未來一個時期內所關注的重點。有關研究包含以下幾個方面：磁學研究在未來一個時期內所關注的重點。有關研究包含以下幾個方面：2.2.固態(tài)磁性的多場量子調控固態(tài)磁性的多場量子調控整理課件p 自旋轉移力矩效應。研究表明

22、，當自旋極化電流流過納米尺寸的鐵磁薄自旋轉移力矩效應。研究表明，當自旋極化電流流過納米尺寸的鐵磁薄膜時膜時,極化電流與薄膜的散射會導致從傳導電子到薄膜磁矩的自旋角動量轉極化電流與薄膜的散射會導致從傳導電子到薄膜磁矩的自旋角動量轉移移,從而引起鐵磁薄膜磁矩的不平衡從而引起鐵磁薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生轉動、進動甚至磁化方向翻轉。這發(fā)生轉動、進動甚至磁化方向翻轉。這一效應提供了新的磁化方向調控方式，可能解決高密度磁信息存儲中的散熱一效應提供了新的磁化方向調控方式，可能解決高密度磁信息存儲中的散熱及高能耗等關鍵問題；隨著信息科學和技術的發(fā)展，將出現(xiàn)對自旋納米振蕩及高能耗等關鍵問題；隨著信息科學和技術的發(fā)

23、展，將出現(xiàn)對自旋納米振蕩器和自旋微波探測器的重大應用需求，利用自旋轉移力矩效應還可以激發(fā)微器和自旋微波探測器的重大應用需求，利用自旋轉移力矩效應還可以激發(fā)微波振蕩以及自旋波，是極有潛力的研究方向波振蕩以及自旋波，是極有潛力的研究方向p 外部擾動對固態(tài)體系內稟磁性的影響。此前人們多關注磁性體系磁化取外部擾動對固態(tài)體系內稟磁性的影響。此前人們多關注磁性體系磁化取向在外界擾動如磁場、電場及光輻照下的變化，很少涉及體系內稟磁性。實向在外界擾動如磁場、電場及光輻照下的變化，很少涉及體系內稟磁性。實際上，外部擾動可以通過對載流子濃度和運動狀態(tài)、對能帶結構以及電子填際上，外部擾動可以通過對載流子濃度和運動狀

24、態(tài)、對能帶結構以及電子填充情況的影響，進而影響體系內稟磁性。以往工作多關注輸運特性的調節(jié)特充情況的影響，進而影響體系內稟磁性。以往工作多關注輸運特性的調節(jié)特征（如磁電阻效應），內稟磁性的調控可能開辟物性調控的新空間征（如磁電阻效應），內稟磁性的調控可能開辟物性調控的新空間p 磁化過程的電場控制問題。典型的問題是物質多鐵性的研究。多鐵性是磁化過程的電場控制問題。典型的問題是物質多鐵性的研究。多鐵性是指在一種材料中存在鐵磁指在一種材料中存在鐵磁/反鐵磁序和鐵電序。利用電場對電極化形態(tài)的影反鐵磁序和鐵電序。利用電場對電極化形態(tài)的影響以及鐵序和電序間的強烈關聯(lián)，可能實現(xiàn)電場對于體系磁化形態(tài)的控制。響以

25、及鐵序和電序間的強烈關聯(lián)，可能實現(xiàn)電場對于體系磁化形態(tài)的控制。這一效應在高密度信息存儲互、電磁信號處理這一效應在高密度信息存儲互、電磁信號處理/屏蔽、電磁能量轉換等領域屏蔽、電磁能量轉換等領域具有非常廣泛的應用前景。眾所周知，由于對對稱性的不同要求，鐵電與鐵具有非常廣泛的應用前景。眾所周知，由于對對稱性的不同要求，鐵電與鐵磁序無法共存。但是，研究表明通過對電荷、軌道序等的調節(jié)可實現(xiàn)螺旋磁磁序無法共存。但是，研究表明通過對電荷、軌道序等的調節(jié)可實現(xiàn)螺旋磁序與鐵電序的共存，從而向磁、電互控的目標邁進了一大步。決定磁電關聯(lián)序與鐵電序的共存，從而向磁、電互控的目標邁進了一大步。決定磁電關聯(lián)的物理機制以

26、及如何獲得強電磁關聯(lián)是亟待進一步研究的問題。的物理機制以及如何獲得強電磁關聯(lián)是亟待進一步研究的問題。整理課件典型的典型的物理特征長度如交換長度、自旋擴散長度物理特征長度如交換長度、自旋擴散長度以及電子平均自由程在以及電子平均自由程在10-103納米尺度范圍內。當磁性物質尺寸與特征尺度可以相比或更小時，由于納米尺度范圍內。當磁性物質尺寸與特征尺度可以相比或更小時，由于量子尺寸效應的增強，可能出現(xiàn)一系列新穎物理現(xiàn)象，所以，低維體系的量子尺寸效應的增強，可能出現(xiàn)一系列新穎物理現(xiàn)象，所以，低維體系的基本磁性與磁電關聯(lián)效應的深入系統(tǒng)不但有助于對磁性起源、磁關聯(lián)根本基本磁性與磁電關聯(lián)效應的深入系統(tǒng)不但有助

27、于對磁性起源、磁關聯(lián)根本規(guī)律的認識，還可能大大加強物質磁性的設計與量子調控能力，為建立在規(guī)律的認識，還可能大大加強物質磁性的設計與量子調控能力，為建立在磁相關效應基礎上的新型微電子器件、超高密度存儲技術提供原理儲備。磁相關效應基礎上的新型微電子器件、超高密度存儲技術提供原理儲備。表面、界面體系、超薄膜、各種磁性隧道結和巨磁電阻納米多層膜、納米表面、界面體系、超薄膜、各種磁性隧道結和巨磁電阻納米多層膜、納米多層膜異質結、納米線、納米管、原子鏈以及納米顆粒等。重點關心的問多層膜異質結、納米線、納米管、原子鏈以及納米顆粒等。重點關心的問題包括：題包括：（1）磁性納米體系的自旋結構、與不同性質背景物質

28、（鐵磁性）磁性納米體系的自旋結構、與不同性質背景物質（鐵磁性/反反鐵磁性、鐵電性鐵磁性、鐵電性/反鐵電性）間的相互作用及相關效應反鐵電性）間的相互作用及相關效應；（2）具有不同磁序）具有不同磁序的磁納米體系、磁量子點的自旋動力學行為、納米結構疇壁運動規(guī)律與渦的磁納米體系、磁量子點的自旋動力學行為、納米結構疇壁運動規(guī)律與渦漩疇變化動力學；漩疇變化動力學；（3）納米線）納米線/納米管、原子鏈納米管、原子鏈/準原子鏈磁矩、磁疇的檢準原子鏈磁矩、磁疇的檢測及操縱；測及操縱；（4）單向各向異性交換偏置現(xiàn)象及磁各向異性的人工調節(jié)；）單向各向異性交換偏置現(xiàn)象及磁各向異性的人工調節(jié)；（5）磁關聯(lián)的傳遞以及層間

29、鐵磁、反鐵磁耦合及其振蕩現(xiàn)象等）磁關聯(lián)的傳遞以及層間鐵磁、反鐵磁耦合及其振蕩現(xiàn)象等;（6）與超）與超高密度磁記錄相關的一些關鍵問題如磁記錄過程的非磁寫入、強垂直磁各高密度磁記錄相關的一些關鍵問題如磁記錄過程的非磁寫入、強垂直磁各向異性磁性體系的探索、向異性磁性體系的探索、納米尺寸磁性顆粒超順磁行為的抑制與延遲，基納米尺寸磁性顆粒超順磁行為的抑制與延遲，基于納米尺度磁疇的三維磁存儲等問題；于納米尺度磁疇的三維磁存儲等問題；(7)磁電阻振蕩效應、量子阱效應，磁電阻振蕩效應、量子阱效應，磁性雜質導致的近藤效應、納米磁性顆粒（磁性量子點）引起的磁性雜質導致的近藤效應、納米磁性顆粒（磁性量子點）引起的自

30、旋相關自旋相關庫侖阻塞效應及由此導致的巨隧道磁電阻效應等庫侖阻塞效應及由此導致的巨隧道磁電阻效應等。在引入納米體系的量子。在引入納米體系的量子調制的基礎上，這里還應該關注前邊所屬兩部分內容。調制的基礎上，這里還應該關注前邊所屬兩部分內容。 3. 低維磁性體系磁相關物理效應低維磁性體系磁相關物理效應整理課件充分利用對物質科學規(guī)律的認識，利用先進的實驗技術與計算模擬能力，以基本充分利用對物質科學規(guī)律的認識，利用先進的實驗技術與計算模擬能力，以基本理論為指導通過精確可控人工材料制備技術進行具有特殊磁結構新材料的設計以理論為指導通過精確可控人工材料制備技術進行具有特殊磁結構新材料的設計以及新物理效應的

31、探索。除通常的鐵磁、反鐵磁等磁有序結構，及新物理效應的探索。除通常的鐵磁、反鐵磁等磁有序結構，具有特殊長程自旋具有特殊長程自旋結構磁性體系結構磁性體系-阻銼磁體、手性磁體、有機和分子磁體、磁性半導體、半金屬磁阻銼磁體、手性磁體、有機和分子磁體、磁性半導體、半金屬磁體體-在很多方面都顯示了其特殊的重要性，例如，由于對對稱性的要求不同，長在很多方面都顯示了其特殊的重要性，例如，由于對對稱性的要求不同，長程鐵磁序與鉄電序無法在同一體系中共存。但是，最近的研究表明通過對程鐵磁序與鉄電序無法在同一體系中共存。但是，最近的研究表明通過對電荷、電荷、軌道序等的調節(jié)可實現(xiàn)獲得螺旋磁結構，而后者與長程鐵電序兼容

32、軌道序等的調節(jié)可實現(xiàn)獲得螺旋磁結構，而后者與長程鐵電序兼容，從而使體系，從而使體系顯示了一系列奇異物理行為顯示了一系列奇異物理行為-強電磁關聯(lián)性。量子相變、量子臨界現(xiàn)象的研究是強電磁關聯(lián)性。量子相變、量子臨界現(xiàn)象的研究是新奇物理效應探索的重要途徑之一。新奇物理效應探索的重要途徑之一。阻銼磁體則是研究量子漲落與量子相變的理阻銼磁體則是研究量子漲落與量子相變的理想體系。磁量子相變是最為普遍的量子相變現(xiàn)象想體系。磁量子相變是最為普遍的量子相變現(xiàn)象，原因是材料的低維磁結構和幾，原因是材料的低維磁結構和幾何磁阻挫大大加劇了量子自旋漲落，同時，電子間的局域關聯(lián)使電荷自由度低溫何磁阻挫大大加劇了量子自旋漲落

33、，同時，電子間的局域關聯(lián)使電荷自由度低溫下凍結，自旋自由度得以凸顯。有機磁體除可能具有輕便及透明的特點外，更重下凍結，自旋自由度得以凸顯。有機磁體除可能具有輕便及透明的特點外，更重要的是自旋要的是自旋-軌道耦合弱，是理想的自旋載體材料。軌道耦合弱，是理想的自旋載體材料。磁性材料中電荷、自旋和軌道序以及相關的量子臨界現(xiàn)象也是值得重視的方向。磁性材料中電荷、自旋和軌道序以及相關的量子臨界現(xiàn)象也是值得重視的方向。組合不同量子序體系，利用自由度間的強烈關聯(lián)設計新自旋結構；通過對特定自組合不同量子序體系，利用自由度間的強烈關聯(lián)設計新自旋結構；通過對特定自由度的調節(jié)，實現(xiàn)不同物理性質之間的交叉調控，進而實

34、現(xiàn)量子物態(tài)的多場調控。由度的調節(jié)，實現(xiàn)不同物理性質之間的交叉調控，進而實現(xiàn)量子物態(tài)的多場調控。拓撲絕緣體態(tài)是由自旋拓撲絕緣體態(tài)是由自旋-軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個例子。軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個例子。4. 新型磁結構設計及新物理效應探索新型磁結構設計及新物理效應探索整理課件凝聚態(tài)物理重要科學發(fā)現(xiàn)和材料的制備密切相關，如整數(shù)量子霍爾效應、凝聚態(tài)物理重要科學發(fā)現(xiàn)和材料的制備密切相關，如整數(shù)量子霍爾效應、分數(shù)量子霍爾效應、巨磁阻、高溫超導等等，正所謂分數(shù)量子霍爾效應、巨磁阻、高溫超導等等，正所謂“誰掌握了材料誰就誰掌握了材料誰就控制了物理控制了物理”。凝聚態(tài)物理的一個重要的發(fā)展趨勢是研究的對

35、象不斷向著凝聚態(tài)物理的一個重要的發(fā)展趨勢是研究的對象不斷向著低維和納米尺寸方向延伸低維和納米尺寸方向延伸，研究對象形式包括量子點、量子線、研究對象形式包括量子點、量子線、超薄膜、超薄膜、異質結、異質結、自組織有序納米結構等，構成這些結構的材料可以覆蓋從半導體、自組織有序納米結構等，構成這些結構的材料可以覆蓋從半導體、超導（包括非常規(guī)超導）、超導（包括非常規(guī)超導）、磁性、鐵電磁性、鐵電/壓電、熱電、拓撲絕緣體一直到常壓電、熱電、拓撲絕緣體一直到常規(guī)絕緣體規(guī)絕緣體的絕大多數(shù)材料。調控的絕大多數(shù)材料。調控界面界面/電荷電荷/軌道軌道/自旋結構重組自旋結構重組、電荷轉移、電荷轉移、電聲子相互作用、應力

36、效應等微觀過程，電聲子相互作用、應力效應等微觀過程，界面誘導新物態(tài)界面誘導新物態(tài)。關聯(lián)自由度包。關聯(lián)自由度包括括電荷、自旋和軌道序。與表面過程相關的非平衡條件下的生長動力學，電荷、自旋和軌道序。與表面過程相關的非平衡條件下的生長動力學，與高分辨率高靈敏度原位表征和測量技術、理論模擬結合與高分辨率高靈敏度原位表征和測量技術、理論模擬結合，是未來凝聚態(tài)是未來凝聚態(tài)物理最有生命力的一個研究領域。新材料的發(fā)展將對前沿領域研究起到引物理最有生命力的一個研究領域。新材料的發(fā)展將對前沿領域研究起到引領作用。領作用。低維自旋相關量子結構材料的設計與可控制備低維自旋相關量子結構材料的設計與可控制備整理課件界面誘

37、導新物態(tài)界面誘導新物態(tài)層間關聯(lián)層間關聯(lián)彈性關聯(lián)彈性關聯(lián)物理關聯(lián)物理關聯(lián)電荷關聯(lián)電荷關聯(lián)磁關聯(lián)磁關聯(lián)軌道關聯(lián)軌道關聯(lián)雙交換雙交換超交換超交換RKKY界面偶極界面偶極電荷轉移電荷轉移自旋轉移自旋轉移電場對磁性的影響電場對磁性的影響 整理課件已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化物薄膜中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化物薄膜中應變弛豫長度約為應變弛豫長度約為10 nm，磁相關過程的磁相關過程的作用范圍約為作用范圍約為2 nm，界面有效作用長度約為，界面有效作用長度約為36 nm，層間磁相互層間磁相互作用的傳遞長度約為作用的傳遞長度約為25 nm，電子平均自由程約為電子平均自由程約為12 nm，非平非平衡載流子擴散長度約為衡載流子擴散長度約為15 nm。當薄膜厚度小于或者接近上述特。當薄膜厚度小于或者接近上述特征長度時，由于界面效應、層間耦合效應的影響，薄膜征長度時，由于界面效應、層間耦合效應的影響，薄膜/多層膜系多層膜系統(tǒng)的量子相變、量子有序現(xiàn)象及其調控都蘊含了新的內容，無論體統(tǒng)的量子相變、量子有序現(xiàn)象及其調控都蘊含了新的內容，無論體