【大學課件】自旋電子學

自旋電子學自旋電子學是一門新興的交叉學科，結(jié)合了量子力學、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。引言定義自旋電子學研究電子自旋在固態(tài)系統(tǒng)中的行為和應用。優(yōu)勢相比傳統(tǒng)電子學，自旋電子學具有更低功耗、更高速度和更多功能。應用從存儲設備到量子計算，自旋電子學在多個領域展現(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的基礎自旋的量子效應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，對自旋操作至關重要。2退相干過程環(huán)境因素導致自旋量子態(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)。應用用于解釋材料的磁性和自旋相關輸運特性。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，應用于生物醫(yī)學和地質(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年諾貝爾物理學獎。原理自旋依賴散射導致平行和反平行磁化構(gòu)型的電阻差異。應用廣泛應用于硬盤讀頭，大幅提高存儲密度。隧穿磁電阻效應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)勢比巨磁電阻效應具有更高的磁電阻比。4應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沉積多層薄膜。光刻利用光刻技術定義器件結(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輻射復合自旋極化電子與空穴復合發(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和晶體內(nèi)電場梯度引起。影響導致自旋翻轉(zhuǎn)和自旋極化電流等現(xiàn)象。自旋軌道耦合的效應1拉什巴效應二維電子氣中由結(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自旋霍爾效應電流導致自旋向兩側(cè)累積的現(xiàn)象。自旋霍爾效應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。檢測通過光學或電學方法測量自旋積累。自旋霍爾效應的應用自旋電流產(chǎn)生利用自旋霍爾效應產(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聯(lián)。4應用前景有望用于自旋電子學和量子計算。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)目前仍處于基礎研究階段，面臨諸多技術挑戰(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、能源供應和納米尺度制造技術。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。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計、制備和集成。自旋電子學的未來發(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。類腦計算