磁性物质中的电荷－自旋输运 （ 10 学时）

从巨磁电阻（ GMR ）到自旋电子学（ Spintronics ）

磁性物质中的电子是强关联电子

各种磁电阻效应

Hall 效应 E.H.Hall 1879 正常磁电阻 (MR) MR>0

Lorentz 力

铁磁金属中的Anisotropic Magneto- Resistance

(AMR)

AMR=

-

3% for permalloy

Michael Thomson(1857)

MR 可正 , 可负机制：传导电子的自旋－轨道耦合作用

三个重要发现

1 ， OMR 1879 （ 19 世纪 ) 经典电磁作用 AMR 1857 （ 19 世纪 ) 自旋－轨道作用 （ 1950s ） 100 多年以后 ,2 ， GMR 1988 （ 20 世纪）自旋的运动

10 年以后，3 ， Spintronics 2001 （ 21 世纪）自旋的运动

产业突飞猛进的发展

半个世纪时间（ 1955 － 2005 年） 磁记录面密度提高了 6 到 7 个数量级 硬盘面积减小 3 个数量级。

• 1955 年 RAMAC 感应式磁头 > 2Kbits/in2• 1985 年 AMR 磁头硬盘出现 > 1Gbits/in2• 1995 年 GMR 磁头硬盘出现 > 5Gbits/in2• 2005 年 GMR 磁头硬盘 >100Gbits/in2• 2006 年 TMR 磁头硬盘 >300Gbits/in2

每 12 至 18 个月存储密度翻一番A Great Leap for IBM

另一个电荷－自旋输运问题

－－－ CMR 效应和强关联电子

反铁磁氧化物绝缘体 →掺杂→ 铁磁金属导体

早期实验（ 1950s ）Jonker 和 Van Sante 发现，

氧化物

31 MnOSrLa xx

高温超导体的物理机制，至今未解决？

掺杂反铁磁氧化物 得到高温超导体

和 CMR 类似！

物理问题巨磁电阻（ GMR ）效应―― Mott 两流体模型 ＃镜面反射， ＃长程交换作用 隧道磁电阻（ TMR ）效应―― Julliere 公式 ＃ MgO 结晶位垒

自旋电子学―― Schmidt 障碍； ＃自旋 Hall 效应

CMR 效应―― Zener 双交换模型 ＃强关联电子

为什么是“纳米”？

两个特征长度： 长程交换耦合 λ≦2 纳米 （ Cr 1 。 8nm ； Cu 1 。 2nm ） 平均自由程 L ≈10 纳米

多层膜中单层厚度 t ： 接近 λ ，但是要远小于 L 。

用什么表征方法？

• 1A 1nm 10nm 100nm • Direct exchange length ……….━• RKKY exchange length…………▄▄▄• Magnetic dipolar length…………………..……━━━━• Mean free path ……..……….……..………...▄▄▄ • Spin diffusion

length………………………………...▄▄▄▄▄▄▄▄▄• • XRD………..…………………… ━━━━━━━━━• TEM………….………………......━━━━━━━━━━━• SEM……………………………………━━━━━━━━━• SPM…………..……………….....━━━━━━━━━━━

结束