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磁自旋阀效应

(理学院物理系应用物理学黄惠杰)
(学号:1999145225)

内容提要:本文研究了电子在δ双势垒(势垒内外加有大小相等、方向成θ角的磁场)
结构中的传输行为, 通过计算电子自旋透射几率流和反射几率流随磁场夹角θ的变化,探
讨了磁自旋阀效应,发现在所给定参数下,当θ在 0 到π之间从零逐渐增大时,自旋向上
的透射几率流逐渐减少,并且随θ的进一步增大而快速衰减,形成了明显的“阀”效应。并
进一步定义了透射电子自旋极化率,给出了透射电子自旋极化率随θ的变化。
关键字:自旋极化自旋阀效应
教师点评:目前的电子器件均是利用电子的电荷性质,能否利用电子的自旋性质形成
一类新的器件,是近几年凝聚态物理的一个研究热点。本论文计算了极化电子在磁场中的
传输行为,讨论了磁场间夹角对电子输运的影响,得到了明显的阀效应。该学生在论文完
成过程中不仅利用了所学的量子力学知识,而且学习了数值计算、初步熟悉了 mathematics
软件,所阅读参考文献均为近年来国际重要物理杂志发表的英文文献,提高了英文文献阅
读能力。论文思路清晰,结论明确,达到了较高的本科生论文水准。如能够进一步探讨不
同入射电子能量下自旋阀效应的特征,并根据能级结构特征对结果做分析说明,论文水平
会再上一个台阶。(点评教师:卫亚东,职称:副教授)
第一章引言
物理学特别是凝聚态物理(condensed matter physics)的基础研究,巨大的推动了应用
物理学和工程学的发展。锗晶体管行为的发现(贝尔实验室 1947 年 12 月)仅仅过了 5 年,
也就是 1952 年,第一批商业性质的锗器件就出现了[1]。另一个例子是巨磁阻效应(GMR),
它发生在自旋极化的电子传输中,应用于磁信息存储。巨磁阻效应是一种量子效应,可以在
由铁磁金属和非金属材料交替组成的分层磁性薄膜结构中观察到该现象。当铁磁金属层中的
磁矩平行时,载流子的自旋相关散射就小,这时该材料电阻就小;当铁磁金属层反排列时,
载流子的自旋相关散射就大,这时该材料电阻就大。磁矩的趋向可以由外加磁场来控制。这
种材料可以通过磁场的较小变化产生可观的电阻变化,而且可以在室温下进行。巨磁阻效应
的报道是在 1988 年[2],第一次商业应用(磁场传感器)是在 1994 年[3],第一个产生巨大
经济效应的产品是 IBM 于 1997 年 11 月宣布的硬盘驱动器的读头(‘read’head)[4]。该产
品使得硬盘的容量从 1G 增加到 20G,估计市场需求为每年 10 亿美元。巨磁阻效应的另外
一个应用是随机存取存储器 RAM,Honeywell 公司 1997 年 1 月演示了巨磁阻效应随机存取
存储器[5],巨磁阻效应可望在每年 1000 亿美元的 RAM 市场上产生重要影响。
日益提高的对基于电子自旋现象的控制能力,给电子产业注入了新鲜血液。目前的 TTL
器件和 MOS 器件都是利用电子的电荷性质,通过电荷输运来工作。利用电子的自旋性质来
形成新的自旋器件是近年来凝聚态物理研究的热门问题。由此,逐渐形成了自旋子学
(spintronics)的概念[6,7]。与自旋极化可以类比的物理现象是光的偏振现象。普通光源发
出的光,在垂直于传播方向的平面上,光矢量的振动在各个方向上的分布是对称的,振幅也
可以看成完全相等,这就是自然光。另有一种情况是光矢量的振动在与光的传播方向垂直的
平面内是不对称的,从而形成偏振光。如线偏振光的光矢量 E 只在某个方向上振动。光的
偏振特性得到了广泛的利用,例如液晶显示器,偏光眼镜立体显示技术等。由于电子自旋极
化与光的偏振有类似的性质,因此,有理由相信可以利用电子自旋极化形成一类新的电子自
旋器件,并电路中得到广泛的利用。
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Supriyo Datta 和 Biswajit Das[8]于 1990 年最早从理论上指出了在量子纳米结构中利用
电子自旋极化形成器件的可能性。考虑到低温下纳米结构电子输运中量子相干效应起决定
性作用,这和微波和光系统中非常相似,他们提出了是否可以像微波器件或光器件一样能够
形成基于电子波自旋极化的器件,论证了在铁磁/半导体/铁磁结构中形成电子波自旋极化器
件的可能性。
显然,寻找高效的自旋过滤系统对基于自旋的电子输运非常重要,这是利用电子自旋的
第一步。在过去的几年中,人们深入研究了自旋极化电流的注入,从铁磁性金属到非铁磁性
半导体的自旋注入效率,由于这两者间的巨大的传导率不匹配,被大大的降低了。为了获得
大的自旋注入,铁磁物质中的载流子必须充分地自旋极化。由于这个原因,人们为寻找特殊
能级结构的材料(如