電磁學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及展望-課件

磁學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)孫繼榮廣西.北海2010.12.16磁學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)孫繼榮現(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

新磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

新磁學(xué)研究方向

舉例報(bào)告內(nèi)容現(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史報(bào)告內(nèi)容1894年居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實(shí)驗(yàn)定律（居里定律）

1905年朗之萬(wàn)將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用到原子磁矩系統(tǒng)上，推導(dǎo)出居里定律

1907年外斯（Weiss）假設(shè)分子場(chǎng)，解釋了自發(fā)磁化。經(jīng)典磁學(xué)的困難：無(wú)法解釋原子磁矩的大小；不能說(shuō)明分子場(chǎng)的起源。1924年烏倫貝克和古德施密特發(fā)現(xiàn)電子自旋-量子力學(xué)效應(yīng)

1926年海森堡揭示了分子場(chǎng)的微觀機(jī)制-交換作用斯托納、斯萊特和莫特提出巡游電子模型--過(guò)渡金屬的非整數(shù)磁矩現(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1894年居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實(shí)驗(yàn)定律（在基本磁學(xué)問(wèn)題研究取得不斷進(jìn)展的同時(shí)，磁性材料的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。在工業(yè)化潮流的推動(dòng)下，上個(gè)世紀(jì)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。之后，在無(wú)線電技術(shù)需求的推動(dòng)下，40年代又發(fā)展了適用于射頻的磁粉介質(zhì)、鐵氧體材料，特別是后者，為電子技術(shù)帶來(lái)了翻天覆地的變革。和軟磁材料不同，去掉磁場(chǎng)后仍能保持磁性的材料稱為永磁材料。按照磁體成分劃分，永磁材料的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段。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。永磁材料在微波通訊、音像和數(shù)字紀(jì)錄、信息技術(shù)以及工業(yè)、國(guó)防和日程生活等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛?，F(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史在基本磁學(xué)問(wèn)題研究取得不斷進(jìn)展的同時(shí)，磁性材料的應(yīng)用也得到了新磁學(xué)研究是以自旋電子學(xué)概念的提出為起點(diǎn)的。電子具有電荷和自旋自由度，但傳統(tǒng)的微電子學(xué)器件功能設(shè)計(jì)主要是基于電荷，忽略了自旋自由度。實(shí)際上，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)低維納米尺度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(shí)間長(zhǎng)、能耗低等。充分利用電子的自旋屬性，有可能獲得功能更強(qiáng)大、操控更方便、處理速度更快的新一代微電子器件。以此為契機(jī)，作為凝聚態(tài)物理的一個(gè)新的分支--自旋電子學(xué)出現(xiàn)了。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的探索，對(duì)傳統(tǒng)磁性基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)逐漸趨于成熟

盡管還存在一些有待于進(jìn)一步澄清的問(wèn)題，整體來(lái)講基本磁學(xué)理論已經(jīng)建立，對(duì)磁相關(guān)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不斷深化，從表面到本質(zhì)、從宏觀到微觀，解釋也逐漸趨于完善。對(duì)非強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)磁系統(tǒng)，已經(jīng)可以從理論上準(zhǔn)確預(yù)言體系的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)、磁化強(qiáng)度、電子自旋極化率。有關(guān)傳統(tǒng)固體軟磁和硬磁性的研究，已逐漸成為材料科學(xué)問(wèn)題，而較少在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域討論了，磁學(xué)研究的重心逐漸從傳統(tǒng)磁學(xué)轉(zhuǎn)向以自旋電子學(xué)為標(biāo)志的新磁學(xué)研究?，F(xiàn)代磁學(xué)>>新磁學(xué)過(guò)渡微電子技術(shù)信息技術(shù)納米科技新概念新效應(yīng)新規(guī)律新磁學(xué)研究是以自旋電子學(xué)概念的提出為起點(diǎn)的。電子具有電荷和自自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體物理的交叉融合。以半導(dǎo)體作為自旋輸運(yùn)、操縱的載體，探索自旋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)磁調(diào)控與電調(diào)控的有機(jī)結(jié)合。結(jié)合了磁性物理與半導(dǎo)體物理的磁性半導(dǎo)體、稀磁半導(dǎo)體是過(guò)去十年中凝聚態(tài)物理的重點(diǎn)研究方向之一與信息物理、技術(shù)的交叉。信息技術(shù)的關(guān)鍵是信息的存儲(chǔ)、傳輸與處理。磁記錄在一個(gè)時(shí)期內(nèi)將仍然是超高密度信息存儲(chǔ)的主要技術(shù)。同時(shí)，以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的更先進(jìn)的信息讀寫技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，以隧道磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的研制也取得了階段性成果。已有研究結(jié)果表明:非磁性半導(dǎo)體中各種自旋具有相當(dāng)長(zhǎng)的相干時(shí)間長(zhǎng)度，且可受光、電控制,利用自旋的量子相干過(guò)程可能實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算和量子通訊，引領(lǐng)新一代信息技術(shù)1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合新磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體物理的交叉融合。以半導(dǎo)體作為自旋輸運(yùn)、操縱

和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的對(duì)稱破缺、獨(dú)特的層間耦合以及增強(qiáng)的量子漲落效應(yīng)，自旋相關(guān)問(wèn)題例如自旋-軌道耦合、自旋相干性在這里得到更突出的體現(xiàn)。一個(gè)典型的例子是對(duì)二維電子氣系統(tǒng)（例如石墨?。┳孕鞯漠a(chǎn)生與輸運(yùn)規(guī)律研究以及通過(guò)Rashba效應(yīng)對(duì)二維電子自旋輸運(yùn)行為的調(diào)控。另外一個(gè)例子是低維磁性問(wèn)題的研究。當(dāng)維度降低到可以與特征關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度相比時(shí)的特殊磁性、特殊界面問(wèn)題、交換偏置問(wèn)題。與關(guān)聯(lián)電子問(wèn)題的交叉。關(guān)聯(lián)量子現(xiàn)象的一個(gè)共同特征，是存在電荷、自旋、軌道、晶格等多種自由度或超導(dǎo)有序、磁性有序、電荷有序、軌道有序等多種有序相的共存和競(jìng)爭(zhēng)。關(guān)聯(lián)量子材料發(fā)現(xiàn)的各種新穎的量子現(xiàn)象正是來(lái)源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，不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，這導(dǎo)致了關(guān)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(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，研究關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中各種自由度隨參數(shù)改變而導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)于探索相關(guān)量子效應(yīng)的起源，研究更有效的量子調(diào)控機(jī)理尤為重要。龐磁電阻效應(yīng)多鐵性現(xiàn)象奇異表面/界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的對(duì)稱破缺、獨(dú)特的傳統(tǒng)磁學(xué)關(guān)注磁矩之間的相互作用導(dǎo)致的集體激發(fā)行為，注重宏觀統(tǒng)計(jì)行為的研究。統(tǒng)計(jì)平均往往抹平了自旋的量子特性。與此不同，現(xiàn)代磁學(xué)更關(guān)心自旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為，自旋個(gè)體的輸運(yùn)規(guī)律、自旋弛豫行為以及自旋相干性的演變等，更加關(guān)注自旋的量子特性。磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索自旋電子學(xué)利用自旋自由度作為信息傳輸?shù)妮d體,其關(guān)鍵是要達(dá)到對(duì)固態(tài)系統(tǒng)中自旋自由度的有效操控。通過(guò)自旋--軌道耦合、自旋--電荷耦合及自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，利用電場(chǎng)、光場(chǎng)結(jié)合磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自旋態(tài)的調(diào)控，而傳統(tǒng)磁學(xué)則主要利用磁場(chǎng)。一個(gè)典型的例子是自旋霍爾效應(yīng)的研究。對(duì)非磁性半導(dǎo)體施加外電場(chǎng),自旋--軌道耦合會(huì)導(dǎo)致在與電場(chǎng)垂直的方向上產(chǎn)生自旋流,同時(shí)在樣品的兩個(gè)邊界處形成取向相反的自旋積累，利用這一物理效應(yīng)可能實(shí)現(xiàn)自旋累積，產(chǎn)生自旋流。另外一個(gè)例子是自旋極化電流對(duì)固態(tài)磁矩的調(diào)控。當(dāng)自旋極化電流通過(guò)納米尺寸的鐵磁薄膜時(shí),與多層膜磁矩的散射會(huì)導(dǎo)致自旋角動(dòng)量由傳導(dǎo)電子到薄膜磁矩的轉(zhuǎn)移,引起薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)動(dòng)甚至磁化方向翻轉(zhuǎn)。橢圓偏振光對(duì)電子的選擇性激發(fā)也是產(chǎn)生自旋極化電流一種方式。3.更加注重自旋態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控研究傳統(tǒng)磁學(xué)關(guān)注磁矩之間的相互作用導(dǎo)致的集體激發(fā)行為，注重宏觀統(tǒng)1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索3.更加注重自旋態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控研究1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律電子具有兩個(gè)重要屬性：電荷與自旋。很多重要的物理發(fā)現(xiàn)例如導(dǎo)電性、超導(dǎo)電性、巡游磁性、巨磁電阻效應(yīng)及微電子器件的各種功能都和電荷輸運(yùn)過(guò)程密切相關(guān)。自旋相關(guān)輸運(yùn)問(wèn)題包括自旋流的產(chǎn)生、調(diào)控、輸運(yùn)規(guī)律、自旋相干性、自旋動(dòng)力學(xué)行為以及相應(yīng)的檢測(cè)方法技術(shù)的研究。稀磁半導(dǎo)體（包括氧化物稀磁半導(dǎo)體與常規(guī)稀磁半導(dǎo)體）的研究，主要目的之一就是為了獲得高自旋注入效率利用自旋—軌道耦合特性，采用電場(chǎng)控制不同自旋取向載流子的分布，即自旋霍爾效應(yīng)，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(shù)仍然是一個(gè)重要的研究課題有機(jī)半導(dǎo)體因?yàn)槠淙踝孕?-軌道耦合引起人們的極大關(guān)注，在這里自旋具有相當(dāng)長(zhǎng)的擴(kuò)散距離。但是有機(jī)半導(dǎo)體的主要輸運(yùn)方式為極化子導(dǎo)電，具有強(qiáng)電--聲耦合，常常產(chǎn)生不利影響。而常規(guī)稀磁半導(dǎo)體作為自旋載體，居里溫度常常過(guò)低。由此可見(jiàn)，新自旋流載體探索是未來(lái)一個(gè)時(shí)期磁電子學(xué)研究的關(guān)鍵由于量子點(diǎn)的零維特性,電子的軌道態(tài)是量子化的,電子自旋態(tài)由于自旋翻轉(zhuǎn)機(jī)制的有效抑制而變得十分穩(wěn)定，被認(rèn)為是量子比特的最佳選擇。作為新磁學(xué)的外延領(lǐng)域，低維體系的自旋動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也應(yīng)該得到進(jìn)一步的關(guān)注。磁學(xué)研究方向1.自旋輸運(yùn)及自旋動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

時(shí)間分辨空間分辨

自旋Hall自旋熱電自旋注入新方法電子具有兩個(gè)重要屬性：電荷與自旋。很多重要的物理發(fā)現(xiàn)例如導(dǎo)電由于自旋-軌道耦合、自旋-電荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各種形式的外部/內(nèi)部擾動(dòng)通過(guò)對(duì)軌道的影響、對(duì)電荷序的影響、甚至通過(guò)自旋轉(zhuǎn)矩傳遞明顯影響系統(tǒng)的自旋結(jié)構(gòu)/序與自旋態(tài)。由于多場(chǎng)調(diào)控與磁調(diào)控原理方法上的不同，影響途徑不同，作用的結(jié)構(gòu)層次不同，突出的物理問(wèn)題不同，可以導(dǎo)致新物理原理、新物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及物性調(diào)控的空間。磁性體系的非磁量子調(diào)控的相關(guān)問(wèn)題應(yīng)該是磁學(xué)研究在未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)所關(guān)注的重點(diǎn)。有關(guān)研究包含以下幾個(gè)方面：2.固態(tài)磁性的多場(chǎng)量子調(diào)控由于自旋-軌道耦合、自旋-電荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)。研究表明，當(dāng)自旋極化電流流過(guò)納米尺寸的鐵磁薄膜時(shí),極化電流與薄膜的散射會(huì)導(dǎo)致從傳導(dǎo)電子到薄膜磁矩的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移,從而引起鐵磁薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)動(dòng)甚至磁化方向翻轉(zhuǎn)。這一效應(yīng)提供了新的磁化方向調(diào)控方式，可能解決高密度磁信息存儲(chǔ)中的散熱及高能耗等關(guān)鍵問(wèn)題；隨著信息科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，將出現(xiàn)對(duì)自旋納米振蕩器和自旋微波探測(cè)器的重大應(yīng)用需求，利用自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)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外部擾動(dòng)對(duì)固態(tài)體系內(nèi)稟磁性的影響。此前人們多關(guān)注磁性體系磁化取向在外界擾動(dòng)如磁場(chǎng)、電場(chǎng)及光輻照下的變化，很少涉及體系內(nèi)稟磁性。實(shí)際上，外部擾動(dòng)可以通過(guò)對(duì)載流子濃度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、對(duì)能帶結(jié)構(gòu)以及電子填充情況的影響，進(jìn)而影響體系內(nèi)稟磁性。以往工作多關(guān)注輸運(yùn)特性的調(diào)節(jié)特征（如磁電阻效應(yīng)），內(nèi)稟磁性的調(diào)控可能開(kāi)辟物性調(diào)控的新空間

磁化過(guò)程的電場(chǎng)控制問(wèn)題。典型的問(wèn)題是物質(zhì)多鐵性的研究。多鐵性是指在一種材料中存在鐵磁/反鐵磁序和鐵電序。利用電場(chǎng)對(duì)電極化形態(tài)的影響以及鐵序和電序間的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)，可能實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)于體系磁化形態(tài)的控制。這一效應(yīng)在高密度信息存儲(chǔ)互、電磁信號(hào)處理/屏蔽、電磁能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知，由于對(duì)對(duì)稱性的不同要求，鐵電與鐵磁序無(wú)法共存。但是，研究表明通過(guò)對(duì)電荷、軌道序等的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)螺旋磁序與鐵電序的共存，從而向磁、電互控的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。決定磁電關(guān)聯(lián)的物理機(jī)制以及如何獲得強(qiáng)電磁關(guān)聯(lián)是亟待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)。研究表明，當(dāng)自旋極化電流流過(guò)納米尺寸的鐵典型的物理特征長(zhǎng)度如交換長(zhǎng)度、自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度以及電子平均自由程在10-103納米尺度范圍內(nèi)。當(dāng)磁性物質(zhì)尺寸與特征尺度可以相比或更小時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)的增強(qiáng)，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(guān)聯(lián)效應(yīng)的深入系統(tǒng)不但有助于對(duì)磁性起源、磁關(guān)聯(lián)根本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還可能大大加強(qiáng)物質(zhì)磁性的設(shè)計(jì)與量子調(diào)控能力，為建立在磁相關(guān)效應(yīng)基礎(chǔ)上的新型微電子器件、超高密度存儲(chǔ)技術(shù)提供原理儲(chǔ)備。表面、界面體系、超薄膜、各種磁性隧道結(jié)和巨磁電阻納米多層膜、納米多層膜異質(zhì)結(jié)、納米線、納米管、原子鏈以及納米顆粒等。重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題包括：（1）磁性納米體系的自旋結(jié)構(gòu)、與不同性質(zhì)背景物質(zhì)（鐵磁性/反鐵磁性、鐵電性/反鐵電性）間的相互作用及相關(guān)效應(yīng)；（2）具有不同磁序的磁納米體系、磁量子點(diǎn)的自旋動(dòng)力學(xué)行為、納米結(jié)構(gòu)疇壁運(yùn)動(dòng)規(guī)律與渦漩疇變化動(dòng)力學(xué)；（3）納米線/納米管、原子鏈/準(zhǔn)原子鏈磁矩、磁疇的檢測(cè)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(diào)節(jié)；（5）磁關(guān)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）與超高密度磁記錄相關(guān)的一些關(guān)鍵問(wèn)題如磁記錄過(guò)程的非磁寫入、強(qiáng)垂直磁各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，基于納米尺度磁疇的三維磁存儲(chǔ)等問(wèn)題；(7)磁電阻振蕩效應(yīng)、量子阱效應(yīng)，磁性雜質(zhì)導(dǎo)致的近藤效應(yīng)、納米磁性顆粒（磁性量子點(diǎn)）引起的自旋相關(guān)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)及由此導(dǎo)致的巨隧道磁電阻效應(yīng)等。在引入納米體系的量子調(diào)制的基礎(chǔ)上，這里還應(yīng)該關(guān)注前邊所屬兩部分內(nèi)容。3.低維磁性體系磁相關(guān)物理效應(yīng)典型的物理特征長(zhǎng)度如交換長(zhǎng)度、自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度以及電子平均自由程充分利用對(duì)物質(zhì)科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算模擬能力，以基本理論為指導(dǎo)通過(guò)精確可控人工材料制備技術(shù)進(jìn)行具有特殊磁結(jié)構(gòu)新材料的設(shè)計(jì)以及新物理效應(yīng)的探索。除通常的鐵磁、反鐵磁等磁有序結(jié)構(gòu)，具有特殊長(zhǎng)程自旋結(jié)構(gòu)磁性體系-阻銼磁體、手性磁體、有機(jī)和分子磁體、磁性半導(dǎo)體、半金屬磁體-在很多方面都顯示了其特殊的重要性，例如，由于對(duì)對(duì)稱性的要求不同，長(zhǎng)程鐵磁序與鉄電序無(wú)法在同一體系中共存。但是，最近的研究表明通過(guò)對(duì)電荷、軌道序等的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)獲得螺旋磁結(jié)構(gòu)，而后者與長(zhǎng)程鐵電序兼容，從而使體系顯示了一系列奇異物理行為--強(qiáng)電磁關(guān)聯(lián)性。量子相變、量子臨界現(xiàn)象的研究是新奇物理效應(yīng)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(jié)構(gòu)和幾何磁阻挫大大加劇了量子自旋漲落，同時(shí)，電子間的局域關(guān)聯(lián)使電荷自由度低溫下凍結(jié)，自旋自由度得以凸顯。有機(jī)磁體除可能具有輕便及透明的特點(diǎn)外，更重要的是自旋-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(guān)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(qiáng)烈關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)新自旋結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)特定自由度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同物理性質(zhì)之間的交叉調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子物態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控。拓?fù)浣^緣體態(tài)是由自旋--軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個(gè)例子。4.新型磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新物理效應(yīng)探索充分利用對(duì)物質(zhì)科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算模擬能凝聚態(tài)物理重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)和材料的制備密切相關(guān)，如整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、巨磁阻、高溫超導(dǎo)等等，正所謂“誰(shuí)掌握了材料誰(shuí)就控制了物理”。凝聚態(tài)物理的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是研究的對(duì)象不斷向著低維和納米尺寸方向延伸，研究對(duì)象形式包括量子點(diǎn)、量子線、超薄膜、異質(zhì)結(jié)、自組織有序納米結(jié)構(gòu)等，構(gòu)成這些結(jié)構(gòu)的材料可以覆蓋從半導(dǎo)體、超導(dǎo)（包括非常規(guī)超導(dǎo)）、磁性、鐵電/壓電、熱電、拓?fù)浣^緣體一直到常規(guī)絕緣體的絕大多數(shù)材料。調(diào)控界面/電荷/軌道/自旋結(jié)構(gòu)重組、電荷轉(zhuǎn)移、電聲子相互作用、應(yīng)力效應(yīng)等微觀過(guò)程，界面誘導(dǎo)新物態(tài)。關(guān)聯(lián)自由度包括電荷、自旋和軌道序。與表面過(guò)程相關(guān)的非平衡條件下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，與高分辨率高靈敏度原位表征和測(cè)量技術(shù)、理論模擬結(jié)合，是未來(lái)凝聚態(tài)物理最有生命力的一個(gè)研究領(lǐng)域。新材料的發(fā)展將對(duì)前沿領(lǐng)域研究起到引領(lǐng)作用。低維自旋相關(guān)量子結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)與可控制備凝聚態(tài)物理重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)和材料的制備密切相關(guān)，如整數(shù)量子霍爾效界面誘導(dǎo)新物態(tài)層間關(guān)聯(lián)彈性關(guān)聯(lián)物理關(guān)聯(lián)電荷關(guān)聯(lián)磁關(guān)聯(lián)軌道關(guān)聯(lián)雙交換超交換RKKY界面偶極電荷轉(zhuǎn)移自旋轉(zhuǎn)移電場(chǎng)對(duì)磁性的影響界面誘導(dǎo)新物態(tài)層間關(guān)聯(lián)彈性關(guān)聯(lián)物理關(guān)聯(lián)電荷關(guān)聯(lián)磁關(guān)聯(lián)軌道關(guān)聯(lián)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化物薄膜中應(yīng)變弛豫長(zhǎng)度約為10nm，磁相關(guān)過(guò)程的作用范圍約為2nm，界面有效作用長(zhǎng)度約為3~6nm，層間磁相互作用的傳遞長(zhǎng)度約為2~5nm，電子平均自由程約為1~2nm，非平衡載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度約為1~5nm。當(dāng)薄膜厚度小于或者接近上述特征長(zhǎng)度時(shí)，由于界面效應(yīng)、層間耦合效應(yīng)的影響，薄膜/多層膜系統(tǒng)的量子相變、量子有序現(xiàn)象及其調(diào)控都蘊(yùn)含了新的內(nèi)容，無(wú)論體系的磁行為、磁結(jié)構(gòu)還是電輸運(yùn)行為、電極化/介電行為、光電特性等都可能出現(xiàn)顛覆性變化，導(dǎo)致新量子態(tài)以及新物理效應(yīng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化物薄膜中應(yīng)變弛豫長(zhǎng)度約為10nm，磁相關(guān)過(guò)程OXIDEAOXIDEBOXIDEAOXIDEB特征關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度磁性材料與磁性、半導(dǎo)體、超導(dǎo)（包括非常規(guī)超導(dǎo)）、鐵電/壓電、熱電材料的組合調(diào)控界面/電荷/軌道/自旋結(jié)構(gòu)重組、電荷轉(zhuǎn)移、電聲相互作用、應(yīng)力效應(yīng)，界面誘導(dǎo)新物態(tài)OXIDEAOXIDEBOXIDEAOXIDEB特征拓?fù)浣^緣體態(tài)是由自旋--軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個(gè)例子。根據(jù)電子態(tài)結(jié)構(gòu)的差異，傳統(tǒng)意義上的材料被分為金屬和絕緣體兩大類。而拓?fù)浣^緣體是一種與二者都不同的新的量子物態(tài)。這種物質(zhì)態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其表面則是無(wú)能隙的金屬態(tài)。由于自旋--軌道耦合作用，在表面上會(huì)產(chǎn)生由時(shí)間反演對(duì)稱性決定的無(wú)能隙的自旋分辨的表面電子態(tài)。這種表面態(tài)形成一種無(wú)有效質(zhì)量的二維電子氣。例一：關(guān)聯(lián)效應(yīng)體：絕緣態(tài)表面：自旋相關(guān)的導(dǎo)電通道拓?fù)浣^緣體態(tài)是由自旋--軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個(gè)例子。例二：界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)例二：界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)很多重要物理過(guò)程在且只在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)生2-維電子氣，量子Hall效應(yīng)LaAlO3SrTiO3M.Basleticetal.NatureMaterials7,621(2008)A.Tsukazakietal.Science315,1388(2007)ZnO/ZnO:Mg例三：界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)Emergentphenomena很多重要物理過(guò)程在且只在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)生2-維電子氣，量子H電場(chǎng)對(duì)磁性的影響例四：磁性調(diào)控

磁場(chǎng)-磁性應(yīng)變-磁各向異性Spin-torque-磁性電場(chǎng)-磁性電場(chǎng)對(duì)磁性的影響例四：磁性調(diào)控磁場(chǎng)-磁性例五：磁性調(diào)控例五：磁性調(diào)控例六：磁性調(diào)控例六：磁性調(diào)控例七：自旋調(diào)控例七：自旋調(diào)控例八：自旋調(diào)控例八：自旋調(diào)控例九：自旋調(diào)控

自旋Hall反自旋Hall

Rashba效應(yīng)拓?fù)浣^緣體例九：自旋調(diào)控自旋Hall例十：自旋調(diào)控例十：自旋調(diào)控電磁學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及展望-課件謝謝！謝謝！磁學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)孫繼榮廣西.北海2010.12.16磁學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)孫繼榮現(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

新磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

新磁學(xué)研究方向

舉例報(bào)告內(nèi)容現(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史報(bào)告內(nèi)容1894年居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實(shí)驗(yàn)定律（居里定律）

1905年朗之萬(wàn)將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用到原子磁矩系統(tǒng)上，推導(dǎo)出居里定律

1907年外斯（Weiss）假設(shè)分子場(chǎng)，解釋了自發(fā)磁化。經(jīng)典磁學(xué)的困難：無(wú)法解釋原子磁矩的大??；不能說(shuō)明分子場(chǎng)的起源。1924年烏倫貝克和古德施密特發(fā)現(xiàn)電子自旋-量子力學(xué)效應(yīng)

1926年海森堡揭示了分子場(chǎng)的微觀機(jī)制-交換作用斯托納、斯萊特和莫特提出巡游電子模型--過(guò)渡金屬的非整數(shù)磁矩現(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1894年居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實(shí)驗(yàn)定律（在基本磁學(xué)問(wèn)題研究取得不斷進(jìn)展的同時(shí)，磁性材料的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。在工業(yè)化潮流的推動(dòng)下，上個(gè)世紀(jì)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。之后，在無(wú)線電技術(shù)需求的推動(dòng)下，40年代又發(fā)展了適用于射頻的磁粉介質(zhì)、鐵氧體材料，特別是后者，為電子技術(shù)帶來(lái)了翻天覆地的變革。和軟磁材料不同，去掉磁場(chǎng)后仍能保持磁性的材料稱為永磁材料。按照磁體成分劃分，永磁材料的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段。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。永磁材料在微波通訊、音像和數(shù)字紀(jì)錄、信息技術(shù)以及工業(yè)、國(guó)防和日程生活等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛?，F(xiàn)代磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史在基本磁學(xué)問(wèn)題研究取得不斷進(jìn)展的同時(shí)，磁性材料的應(yīng)用也得到了新磁學(xué)研究是以自旋電子學(xué)概念的提出為起點(diǎn)的。電子具有電荷和自旋自由度，但傳統(tǒng)的微電子學(xué)器件功能設(shè)計(jì)主要是基于電荷，忽略了自旋自由度。實(shí)際上，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)低維納米尺度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(shí)間長(zhǎng)、能耗低等。充分利用電子的自旋屬性，有可能獲得功能更強(qiáng)大、操控更方便、處理速度更快的新一代微電子器件。以此為契機(jī)，作為凝聚態(tài)物理的一個(gè)新的分支--自旋電子學(xué)出現(xiàn)了。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的探索，對(duì)傳統(tǒng)磁性基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)逐漸趨于成熟

盡管還存在一些有待于進(jìn)一步澄清的問(wèn)題，整體來(lái)講基本磁學(xué)理論已經(jīng)建立，對(duì)磁相關(guān)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不斷深化，從表面到本質(zhì)、從宏觀到微觀，解釋也逐漸趨于完善。對(duì)非強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)磁系統(tǒng)，已經(jīng)可以從理論上準(zhǔn)確預(yù)言體系的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)、磁化強(qiáng)度、電子自旋極化率。有關(guān)傳統(tǒng)固體軟磁和硬磁性的研究，已逐漸成為材料科學(xué)問(wèn)題，而較少在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域討論了，磁學(xué)研究的重心逐漸從傳統(tǒng)磁學(xué)轉(zhuǎn)向以自旋電子學(xué)為標(biāo)志的新磁學(xué)研究?，F(xiàn)代磁學(xué)>>新磁學(xué)過(guò)渡微電子技術(shù)信息技術(shù)納米科技新概念新效應(yīng)新規(guī)律新磁學(xué)研究是以自旋電子學(xué)概念的提出為起點(diǎn)的。電子具有電荷和自自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體物理的交叉融合。以半導(dǎo)體作為自旋輸運(yùn)、操縱的載體，探索自旋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)磁調(diào)控與電調(diào)控的有機(jī)結(jié)合。結(jié)合了磁性物理與半導(dǎo)體物理的磁性半導(dǎo)體、稀磁半導(dǎo)體是過(guò)去十年中凝聚態(tài)物理的重點(diǎn)研究方向之一與信息物理、技術(shù)的交叉。信息技術(shù)的關(guān)鍵是信息的存儲(chǔ)、傳輸與處理。磁記錄在一個(gè)時(shí)期內(nèi)將仍然是超高密度信息存儲(chǔ)的主要技術(shù)。同時(shí)，以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的更先進(jìn)的信息讀寫技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，以隧道磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的研制也取得了階段性成果。已有研究結(jié)果表明:非磁性半導(dǎo)體中各種自旋具有相當(dāng)長(zhǎng)的相干時(shí)間長(zhǎng)度，且可受光、電控制,利用自旋的量子相干過(guò)程可能實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算和量子通訊，引領(lǐng)新一代信息技術(shù)1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合新磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體物理的交叉融合。以半導(dǎo)體作為自旋輸運(yùn)、操縱

和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的對(duì)稱破缺、獨(dú)特的層間耦合以及增強(qiáng)的量子漲落效應(yīng)，自旋相關(guān)問(wèn)題例如自旋-軌道耦合、自旋相干性在這里得到更突出的體現(xiàn)。一個(gè)典型的例子是對(duì)二維電子氣系統(tǒng)（例如石墨?。┳孕鞯漠a(chǎn)生與輸運(yùn)規(guī)律研究以及通過(guò)Rashba效應(yīng)對(duì)二維電子自旋輸運(yùn)行為的調(diào)控。另外一個(gè)例子是低維磁性問(wèn)題的研究。當(dāng)維度降低到可以與特征關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度相比時(shí)的特殊磁性、特殊界面問(wèn)題、交換偏置問(wèn)題。與關(guān)聯(lián)電子問(wèn)題的交叉。關(guān)聯(lián)量子現(xiàn)象的一個(gè)共同特征，是存在電荷、自旋、軌道、晶格等多種自由度或超導(dǎo)有序、磁性有序、電荷有序、軌道有序等多種有序相的共存和競(jìng)爭(zhēng)。關(guān)聯(lián)量子材料發(fā)現(xiàn)的各種新穎的量子現(xiàn)象正是來(lái)源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，不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，這導(dǎo)致了關(guān)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(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，研究關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中各種自由度隨參數(shù)改變而導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)于探索相關(guān)量子效應(yīng)的起源，研究更有效的量子調(diào)控機(jī)理尤為重要。龐磁電阻效應(yīng)多鐵性現(xiàn)象奇異表面/界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的對(duì)稱破缺、獨(dú)特的傳統(tǒng)磁學(xué)關(guān)注磁矩之間的相互作用導(dǎo)致的集體激發(fā)行為，注重宏觀統(tǒng)計(jì)行為的研究。統(tǒng)計(jì)平均往往抹平了自旋的量子特性。與此不同，現(xiàn)代磁學(xué)更關(guān)心自旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為，自旋個(gè)體的輸運(yùn)規(guī)律、自旋弛豫行為以及自旋相干性的演變等，更加關(guān)注自旋的量子特性。磁學(xué)研究的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索自旋電子學(xué)利用自旋自由度作為信息傳輸?shù)妮d體,其關(guān)鍵是要達(dá)到對(duì)固態(tài)系統(tǒng)中自旋自由度的有效操控。通過(guò)自旋--軌道耦合、自旋--電荷耦合及自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，利用電場(chǎng)、光場(chǎng)結(jié)合磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自旋態(tài)的調(diào)控，而傳統(tǒng)磁學(xué)則主要利用磁場(chǎng)。一個(gè)典型的例子是自旋霍爾效應(yīng)的研究。對(duì)非磁性半導(dǎo)體施加外電場(chǎng),自旋--軌道耦合會(huì)導(dǎo)致在與電場(chǎng)垂直的方向上產(chǎn)生自旋流,同時(shí)在樣品的兩個(gè)邊界處形成取向相反的自旋積累，利用這一物理效應(yīng)可能實(shí)現(xiàn)自旋累積，產(chǎn)生自旋流。另外一個(gè)例子是自旋極化電流對(duì)固態(tài)磁矩的調(diào)控。當(dāng)自旋極化電流通過(guò)納米尺寸的鐵磁薄膜時(shí),與多層膜磁矩的散射會(huì)導(dǎo)致自旋角動(dòng)量由傳導(dǎo)電子到薄膜磁矩的轉(zhuǎn)移,引起薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)動(dòng)甚至磁化方向翻轉(zhuǎn)。橢圓偏振光對(duì)電子的選擇性激發(fā)也是產(chǎn)生自旋極化電流一種方式。3.更加注重自旋態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控研究傳統(tǒng)磁學(xué)關(guān)注磁矩之間的相互作用導(dǎo)致的集體激發(fā)行為，注重宏觀統(tǒng)1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索3.更加注重自旋態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控研究1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律電子具有兩個(gè)重要屬性：電荷與自旋。很多重要的物理發(fā)現(xiàn)例如導(dǎo)電性、超導(dǎo)電性、巡游磁性、巨磁電阻效應(yīng)及微電子器件的各種功能都和電荷輸運(yùn)過(guò)程密切相關(guān)。自旋相關(guān)輸運(yùn)問(wèn)題包括自旋流的產(chǎn)生、調(diào)控、輸運(yùn)規(guī)律、自旋相干性、自旋動(dòng)力學(xué)行為以及相應(yīng)的檢測(cè)方法技術(shù)的研究。稀磁半導(dǎo)體（包括氧化物稀磁半導(dǎo)體與常規(guī)稀磁半導(dǎo)體）的研究，主要目的之一就是為了獲得高自旋注入效率利用自旋—軌道耦合特性，采用電場(chǎng)控制不同自旋取向載流子的分布，即自旋霍爾效應(yīng)，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(shù)仍然是一個(gè)重要的研究課題有機(jī)半導(dǎo)體因?yàn)槠淙踝孕?-軌道耦合引起人們的極大關(guān)注，在這里自旋具有相當(dāng)長(zhǎng)的擴(kuò)散距離。但是有機(jī)半導(dǎo)體的主要輸運(yùn)方式為極化子導(dǎo)電，具有強(qiáng)電--聲耦合，常常產(chǎn)生不利影響。而常規(guī)稀磁半導(dǎo)體作為自旋載體，居里溫度常常過(guò)低。由此可見(jiàn)，新自旋流載體探索是未來(lái)一個(gè)時(shí)期磁電子學(xué)研究的關(guān)鍵由于量子點(diǎn)的零維特性,電子的軌道態(tài)是量子化的,電子自旋態(tài)由于自旋翻轉(zhuǎn)機(jī)制的有效抑制而變得十分穩(wěn)定，被認(rèn)為是量子比特的最佳選擇。作為新磁學(xué)的外延領(lǐng)域，低維體系的自旋動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也應(yīng)該得到進(jìn)一步的關(guān)注。磁學(xué)研究方向1.自旋輸運(yùn)及自旋動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

時(shí)間分辨空間分辨

自旋Hall自旋熱電自旋注入新方法電子具有兩個(gè)重要屬性：電荷與自旋。很多重要的物理發(fā)現(xiàn)例如導(dǎo)電由于自旋-軌道耦合、自旋-電荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各種形式的外部/內(nèi)部擾動(dòng)通過(guò)對(duì)軌道的影響、對(duì)電荷序的影響、甚至通過(guò)自旋轉(zhuǎn)矩傳遞明顯影響系統(tǒng)的自旋結(jié)構(gòu)/序與自旋態(tài)。由于多場(chǎng)調(diào)控與磁調(diào)控原理方法上的不同，影響途徑不同，作用的結(jié)構(gòu)層次不同，突出的物理問(wèn)題不同，可以導(dǎo)致新物理原理、新物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及物性調(diào)控的空間。磁性體系的非磁量子調(diào)控的相關(guān)問(wèn)題應(yīng)該是磁學(xué)研究在未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)所關(guān)注的重點(diǎn)。有關(guān)研究包含以下幾個(gè)方面：2.固態(tài)磁性的多場(chǎng)量子調(diào)控由于自旋-軌道耦合、自旋-電荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)。研究表明，當(dāng)自旋極化電流流過(guò)納米尺寸的鐵磁薄膜時(shí),極化電流與薄膜的散射會(huì)導(dǎo)致從傳導(dǎo)電子到薄膜磁矩的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移,從而引起鐵磁薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)動(dòng)甚至磁化方向翻轉(zhuǎn)。這一效應(yīng)提供了新的磁化方向調(diào)控方式，可能解決高密度磁信息存儲(chǔ)中的散熱及高能耗等關(guān)鍵問(wèn)題；隨著信息科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，將出現(xiàn)對(duì)自旋納米振蕩器和自旋微波探測(cè)器的重大應(yīng)用需求，利用自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)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外部擾動(dòng)對(duì)固態(tài)體系內(nèi)稟磁性的影響。此前人們多關(guān)注磁性體系磁化取向在外界擾動(dòng)如磁場(chǎng)、電場(chǎng)及光輻照下的變化，很少涉及體系內(nèi)稟磁性。實(shí)際上，外部擾動(dòng)可以通過(guò)對(duì)載流子濃度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、對(duì)能帶結(jié)構(gòu)以及電子填充情況的影響，進(jìn)而影響體系內(nèi)稟磁性。以往工作多關(guān)注輸運(yùn)特性的調(diào)節(jié)特征（如磁電阻效應(yīng)），內(nèi)稟磁性的調(diào)控可能開(kāi)辟物性調(diào)控的新空間

磁化過(guò)程的電場(chǎng)控制問(wèn)題。典型的問(wèn)題是物質(zhì)多鐵性的研究。多鐵性是指在一種材料中存在鐵磁/反鐵磁序和鐵電序。利用電場(chǎng)對(duì)電極化形態(tài)的影響以及鐵序和電序間的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)，可能實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)于體系磁化形態(tài)的控制。這一效應(yīng)在高密度信息存儲(chǔ)互、電磁信號(hào)處理/屏蔽、電磁能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知，由于對(duì)對(duì)稱性的不同要求，鐵電與鐵磁序無(wú)法共存。但是，研究表明通過(guò)對(duì)電荷、軌道序等的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)螺旋磁序與鐵電序的共存，從而向磁、電互控的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。決定磁電關(guān)聯(lián)的物理機(jī)制以及如何獲得強(qiáng)電磁關(guān)聯(lián)是亟待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)。研究表明，當(dāng)自旋極化電流流過(guò)納米尺寸的鐵典型的物理特征長(zhǎng)度如交換長(zhǎng)度、自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度以及電子平均自由程在10-103納米尺度范圍內(nèi)。當(dāng)磁性物質(zhì)尺寸與特征尺度可以相比或更小時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)的增強(qiáng)，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(guān)聯(lián)效應(yīng)的深入系統(tǒng)不但有助于對(duì)磁性起源、磁關(guān)聯(lián)根本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還可能大大加強(qiáng)物質(zhì)磁性的設(shè)計(jì)與量子調(diào)控能力，為建立在磁相關(guān)效應(yīng)基礎(chǔ)上的新型微電子器件、超高密度存儲(chǔ)技術(shù)提供原理儲(chǔ)備。表面、界面體系、超薄膜、各種磁性隧道結(jié)和巨磁電阻納米多層膜、納米多層膜異質(zhì)結(jié)、納米線、納米管、原子鏈以及納米顆粒等。重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題包括：（1）磁性納米體系的自旋結(jié)構(gòu)、與不同性質(zhì)背景物質(zhì)（鐵磁性/反鐵磁性、鐵電性/反鐵電性）間的相互作用及相關(guān)效應(yīng)；（2）具有不同磁序的磁納米體系、磁量子點(diǎn)的自旋動(dòng)力學(xué)行為、納米結(jié)構(gòu)疇壁運(yùn)動(dòng)規(guī)律與渦漩疇變化動(dòng)力學(xué)；（3）納米線/納米管、原子鏈/準(zhǔn)原子鏈磁矩、磁疇的檢測(cè)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(diào)節(jié)；（5）磁關(guān)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）與超高密度磁記錄相關(guān)的一些關(guān)鍵問(wèn)題如磁記錄過(guò)程的非磁寫入、強(qiáng)垂直磁各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，基于納米尺度磁疇的三維磁存儲(chǔ)等問(wèn)題；(7)磁電阻振蕩效應(yīng)、量子阱效應(yīng)，磁性雜質(zhì)導(dǎo)致的近藤效應(yīng)、納米磁性顆粒（磁性量子點(diǎn)）引起的自旋相關(guān)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)及由此導(dǎo)致的巨隧道磁電阻效應(yīng)等。在引入納米體系的量子調(diào)制的基礎(chǔ)上，這里還應(yīng)該關(guān)注前邊所屬兩部分內(nèi)容。3.低維磁性體系磁相關(guān)物理效應(yīng)典型的物理特征長(zhǎng)度如交換長(zhǎng)度、自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度以及電子平均自由程充分利用對(duì)物質(zhì)科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算模擬能力，以基本理論為指導(dǎo)通過(guò)精確可控人工材料制備技術(shù)進(jìn)行具有特殊磁結(jié)構(gòu)新材料的設(shè)計(jì)以及新物理效應(yīng)的探索。除通常的鐵磁、反鐵磁等磁有序結(jié)構(gòu)，具有特殊長(zhǎng)程自旋結(jié)構(gòu)磁性體系-阻銼磁體、手性磁體、有機(jī)和分子磁體、磁性半導(dǎo)體、半金屬磁體-在很多方面都顯示了其特殊的重要性，例如，由于對(duì)對(duì)稱性的要求不同，長(zhǎng)程鐵磁序與鉄電序無(wú)法在同一體系中共存。但是，最近的研究表明通過(guò)對(duì)電荷、軌道序等的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)獲得螺旋磁結(jié)構(gòu)，而后者與長(zhǎng)程鐵電序兼容，從而使體系顯示了一系列奇異物理行為--強(qiáng)電磁關(guān)聯(lián)性。量子相變、量子臨界現(xiàn)象的研究是新奇物理效應(yīng)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(jié)構(gòu)和幾何磁阻挫大大加劇了量子自旋漲落，同時(shí)，電子間的局域關(guān)聯(lián)使電荷自由度低溫下凍結(jié)，自旋自由度得以凸顯。有機(jī)磁體除可能具有輕便及透明的特點(diǎn)外，更重要的是自旋-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(guān)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(qiáng)烈關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)新自旋結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)特定自由度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同物理性質(zhì)之間的交叉調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子物態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控。拓?fù)浣^緣體態(tài)是由自旋--軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個(gè)例子。4.新型磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新物理效應(yīng)探索充分利用對(duì)物質(zhì)科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算模擬能凝聚態(tài)物理重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)和材料的制備密切相關(guān)，如整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、巨磁阻、高溫超導(dǎo)等等，正所謂“誰(shuí)掌握了材料誰(shuí)就控制了物理”。凝聚態(tài)物理的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是研究的對(duì)象不斷向著低維和納米尺寸方向延伸，研究對(duì)象形式包括量子點(diǎn)、量子線、超薄膜、異質(zhì)結(jié)、自組織有序納米結(jié)構(gòu)等，構(gòu)成這些結(jié)構(gòu)的材料可以覆蓋從半導(dǎo)體、超導(dǎo)（包括非常規(guī)超導(dǎo)）、磁性、鐵電/壓電、熱電、拓?fù)浣^緣體一直到常規(guī)絕緣體的絕大多數(shù)材料。調(diào)控界面/電荷/軌道/自旋結(jié)構(gòu)重組、電荷