在半導體中，自旋-軌道耦合(Spin-orbitcoupling，SOC)對自旋動力學影響非常大，並且正是由於自旋-軌道耦合的存在使得電學自旋操控成為可能。
基本介紹
- 中文名：自旋操控
- 外文名：Spin manipulation
- 套用：凝聚態物理學和信息存儲領域
- 相關概念：自旋-軌道耦合
原理及研究發展,作用,比較,套用,
原理及研究發展
GMR和TMR效應都是利用改變鐵磁體的磁狀態性質（平行或反平行）來實現對通過磁性多層結構系統的電流的控制。1996年，美國的Berger和Slonczewski分別獨立地提出了上述效應的逆效應—自旋轉移效應（Spintransfereffect），即利用通過系統的電流來實現對鐵磁體磁狀態的調控。當兩個鐵磁層的磁化方向取向存在一個夾角時，從一個鐵磁層出來的自旋極化的電子通過中間層進入另一個鐵磁層時，由於受到該鐵磁體中分子場的作用，會使得自旋沿著該磁化方向取向，從而失掉了橫向的自旋角動量。這部分橫向角動量被鐵磁體中的局域磁矩吸收，相當於對局域磁矩施加了一個力矩，叫自旋轉移矩（Spintransfertorque），可以反過來改變鐵磁體的磁狀態，也可能引起自旋波的激發。自旋轉移效應的物理根源在於傳導電子和局域磁矩之間的交換作用。1998年，Tsoi等人用一根銀製成的針尖通過點接觸Co/Cu多層膜，向其中注入密度為109A/cm2的高強度電流，磁場加在垂直於膜面的方向，他們在點接觸結的I-V特性曲線上觀察到了台階，證實了電流誘導的磁矩反轉和局域磁激發，並發現這種電流誘導的磁激發只在一種電流方向下出現，閾值電壓或電流與外磁場的大小成線性關係，這個結果給Slonczewski和Berger的預言提供了實驗上的證據。此後，人們又在其它的自旋閥和磁性隧道結系統中觀察到了自旋轉移效應和由其引起的磁疇反轉。
GMR和TMR效應都是利用了磁場來實現對電流的調控。如果不使用磁場，能否實現對自旋的操控，1971年,M.ID’yakonov和V.I.Perel從理論上預言，對於一個自旋-軌道耦合較強的電子系統，當給系統加上電流後，自旋向上的電子和自旋向下的電子將分別向系統的兩邊運動，形成自旋向上和向下的電勢差，類似於Hall效應，被稱為自旋霍爾效應（SpinHalleffect）。1999年，J.Hirsch對此進行了進一步地論證。2004年，一個由美國的Awschalom領導的實驗小組和一個由英國的J.Wunderlich等人組成的聯合實驗小組分別在二維的具有自旋－軌道耦合的半導體中觀察到了自旋霍爾效應。2007年，德國的L.W.Molenkamp和史丹福大學張首晟領導的研究組在HgTe量子阱中實現了量子自旋霍爾絕緣態。實驗表明，電子自旋可以在這個新的電子態中無阻流動，滿足時間反演對稱性。量子自旋霍爾效應中，在不需要磁場的情況下，自旋向上的電子和自旋向下的電子可以在系統的邊緣態中以相反的方向無耗散的流動。
作用
自旋操控的研究極大地推動了凝聚態物理學和信息存儲領域的快速發展，逐漸形成了一門新的學科―自旋電子學（Spintronics），即以自旋為基礎的電子學。有別於傳統的利用了電子電荷自由度的矽基微電子學器件，在自旋電子學器件中，電子的自旋成為信息儲存、處理和輸運的基本單元。基於電子自旋製造的高密度、高速度、低能耗、多功能、高度集成的新一代微電子器件，可望作為下一代高性能微處理器，在提高計算機運行速度、信息存儲能力以及小型化等方面將發揮至關重要的作用，並極大地造福於人類。
比較
在傳統的微電子學器件如MOSFET中，人們通過調節門電壓的大小來控制電子的密度，從而達到對通過該器件電流的控制，最終實現各種器件的功能。顯然，這裡僅利用了電子的電荷自由度。按照GordonMoore在1965年提出的經驗定律的預期，每個晶片上的積體電路數目每18個月翻一番，價格下降一倍，計算能力相對於時間周期呈指數式上升。這一定律雖然依然準確、有效，而且不僅適用於存儲器晶片，也適用於計算機的處理能力和磁碟驅動器存儲容量的進展，但是這一快速發展也導致晶片上元器件的特徵尺寸在急劇下降，正在逼近物理極限。
套用
一般認為，當元器件的門寬度小於20nm時，由於電子的隧穿效應，會引起漏電流，從而導致器件的工作狀態失穩。因此，不能一味地通過減小元器件的尺寸來提高計算機的處理能力。另一方面，隨著晶片上積體電路數目的增多，器件的發熱問題（可達100W/cm2）也成為影響提高計算機性能的一個重要因素。在這樣的情況下，人們開始構想利用電子的另一個非經典自由度—自旋，另尋出路來提高計算機的運算能力。由於自旋相比於電荷來講，自旋態具有較長的馳豫時間，不易被來自雜質和缺陷等的散射破壞掉，可以較容易進行操控，並且具有低能耗的特點。而GMR和TMR效應的快速發展，給這種可能性提供了很好的技術基礎。自旋電子學的可能套用非常廣泛，如高速高密度非揮發記憶元件，可重新裝配的邏輯計算元器件，集成的磁光器件，利用自旋態的量子信息和量子計算器件，自旋場效應電晶體，自旋光發射二極體，磁性感測器，等等。從歐盟提出的歐洲納米電子學技術路線圖中，可以看出，除了一些傳統的元器件以外，將包括分子電子學和自旋元器件等的新型器件也集成在內。在自旋電子學器件中，信息被儲存在自旋向上或向下的狀態中，自旋極化的電子在導線中運動的同時，也將攜帶的信息輸送到目的地，然後信息在末端被讀取。對自旋電子學器件來說，有如下幾個關鍵因素必須加以考慮：一是如何產生自旋，如可以利用鐵磁金屬，稀磁半導體等；二是輸運自旋，即如何從自旋極化的電子源中將自旋注入到金屬和半導體中；三是操控自旋，即如何利用電場、磁場或光場對自旋進行調控；四是探測自旋，一般利用電探測或光探測手段。
