[科普中國(guó)]-自旋運(yùn)輸

自旋運(yùn)輸也作自旋輸運(yùn)，是電子運(yùn)輸?shù)囊环N方式，自旋相關(guān)輸運(yùn)可以說(shuō)是自旋電子學(xué)中最核心的概念。輸運(yùn)現(xiàn)象討論的是在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等作用下電荷和能量的輸運(yùn)問(wèn)題。

概述自旋相關(guān)運(yùn)輸可以說(shuō)是自旋電子學(xué)中最核心的概念。對(duì)于普通金屬，電子的自旋態(tài)是簡(jiǎn)并的，所以不存在凈的磁矩，同樣費(fèi)米面附近的電子態(tài)也是自旋簡(jiǎn)并的，因而運(yùn)輸過(guò)程中電子流是非自旋極化的。不過(guò)，對(duì)于鐵磁過(guò)渡金屬來(lái)說(shuō)，由于3d電子的交換作用，自旋取向不同的3d電子具有不同能量，3d能帶分裂成兩個(gè)子帶，自旋向上電子的子帶與自旋向下電子的子帶發(fā)生相對(duì)位移，這便是人們所熟知的“交換劈裂”。由于交換劈裂，自旋向上電子的子帶（多數(shù)自旋）將全部或絕大部分被電子占據(jù)，而自旋向下電子的子帶（少數(shù)自旋）僅部分被電子占據(jù)，兩子帶的占據(jù)電子數(shù)之差正比于它的磁矩。由于交換劈裂，費(fèi)米面處自旋向上和自旋向下3d電子的態(tài)密度相差很大，所以在費(fèi)米面處還有少數(shù)受交換劈裂影響較小的S電子和自旋極化的電子1。

運(yùn)輸現(xiàn)象運(yùn)輸現(xiàn)象也稱(chēng)為遷移現(xiàn)象。運(yùn)輸現(xiàn)象討論的是在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等作用下電荷和能量的運(yùn)輸問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)輸現(xiàn)象的研究可以了解載流子與晶格和晶格缺陷相互作用的性質(zhì)。

應(yīng)用在潛在的新器件應(yīng)用中，利用自旋和電荷運(yùn)輸在設(shè)計(jì)上有其固有的限制：它們要么由異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，要么由非均勻材料組成。雖然在傳統(tǒng)的電子學(xué)中，即純電荷運(yùn)輸情形，類(lèi)似的限制己有廣泛的研究，但自旋自由度通過(guò)異質(zhì)結(jié)或非均勻材料的界面將有什么樣的行為并不很清楚。例如，考慮一個(gè)非磁金屬與半導(dǎo)體接觸，會(huì)形成Schottky勢(shì)壘，其性質(zhì)將決定金屬/半導(dǎo)體結(jié)的電荷運(yùn)輸。但關(guān)于與自旋有關(guān)的Schottky勢(shì)壘，自旋極化通過(guò)其界面運(yùn)輸現(xiàn)象，還缺乏物理理解。從鐵磁體到半導(dǎo)體依賴(lài)于直接電子自旋注入是自旋電子學(xué)器件要解決的重要問(wèn)題。如果進(jìn)一步考慮在磁性界面有自旋反轉(zhuǎn)（spin-flip）的可能性，情形就更為復(fù)雜。在評(píng)估各種自旋電子學(xué)器件的可行性時(shí)，以上考慮都必須包括在內(nèi)，因?yàn)樗鼈円馕吨ㄟ^(guò)半導(dǎo)體與鐵磁體形成的界面時(shí)，載流子自旋極化的程度會(huì)被強(qiáng)烈地改變1。

相關(guān)研究自從Dubrovin和Novikov以及Vilms和Entin提出磁調(diào)制量子結(jié)構(gòu)的概念以來(lái)，磁調(diào)制量子結(jié)構(gòu)物理無(wú)論在理論還是在實(shí)驗(yàn)上均得到了人們極大的關(guān)注。理論上人們陸續(xù)提出了各類(lèi)磁調(diào)制量子結(jié)構(gòu)，其中包括磁壘、磁阱、磁臺(tái)階、磁量子點(diǎn)及反點(diǎn)、磁量子線(xiàn)、磁量子環(huán)、周期及準(zhǔn)周期超晶格等。起初實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)二維電子氣的磁調(diào)制進(jìn)展較慢，但隨著分子束外延技術(shù)和現(xiàn)代刻蝕技術(shù)的發(fā)展，利用電子微刻技術(shù)在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)上沉積超導(dǎo)條和鐵磁條，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維電子氣的納米級(jí)磁調(diào)制。通過(guò)電子束微刻技術(shù)，超導(dǎo)薄膜可以做成任意的形狀，從而一般想象的非均勻磁場(chǎng)的幾何構(gòu)型在實(shí)驗(yàn)上都能實(shí)現(xiàn)。理論磁調(diào)制量子結(jié)構(gòu)的能譜和運(yùn)輸性質(zhì)研究已取得了顯著進(jìn)展，人們重點(diǎn)研究了磁調(diào)制量子結(jié)構(gòu)的波矢過(guò)濾、能譜結(jié)構(gòu)、共振劈裂、自旋極化運(yùn)輸和磁阻性質(zhì)等等。Guo等人針對(duì)該領(lǐng)域的一些核心問(wèn)題，如：低維磁調(diào)制量子系統(tǒng)中的電子磁致運(yùn)輸和自旋極化運(yùn)輸作了較為系統(tǒng)的研究，取得了一系列具有創(chuàng)新意義的成果。先后提出了自旋過(guò)濾二極管和自旋過(guò)濾及電流雙重二極管的概念。探討了稀磁半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其超晶格結(jié)構(gòu)中自旋運(yùn)輸?shù)碾妶?chǎng)效應(yīng)、磁場(chǎng)效應(yīng)、溫度效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、層間耦合效應(yīng)、一導(dǎo)帶偏隙效應(yīng)、自旋共振劈裂效應(yīng)；揭示了其中自旋運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間特征，并提出自旋電子在時(shí)間尺度上的分離的觀點(diǎn)，發(fā)展了自旋運(yùn)輸?shù)睦碚摵退惴?。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)