调控自旋将成为科技发展的新领域

 电子同时具有电荷与自旋磁矩二个自由度,或二个本征的特性。物质由原子所构成,原子由原子核与电子所组成,原子核由中子、质子构成,中子具有磁矩而不带电荷,中子、质子是由夸克等基本粒子所构成。据目前所知,除希格斯粒子磁矩与电荷均为零外,其他基本粒子均具有磁矩,但未必具有电荷,因此,磁矩比电荷具有更大的普适性。科学家巧妙地利用直流与微波磁场来调控核自旋磁矩的共振吸收特性,制备了广泛应用的核磁共振谱仪与核磁共振成像仪,这是调控电子自旋的范例。然而,长期以来,通常电荷与自旋在不同的领域起着重要的主角作用,人们利用电场调控电子电荷,从而在电力、电子领域中独领风骚,如电动机、发电机为主的电力工业所形成的第二次产业革命;以芯片、计算机为主角的第三次产业革命使人类进人到信息社会,而自旋磁矩主要在磁性材料领域中发挥了不可取代的作用。     

自旋——21世纪信息的新载体

电子既是电荷的载体 ,同时又是自旋的载体。以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴（或多数载流子和少数载流子）的输运特性为主要内容的微电子学是２０世纪人类的文明和发展的最重要的推动力之一。众所周知 ,在这里电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制 ,自旋状态并没有被考虑。但是 ,从上个世纪９０年代以来 ,科学家发现人类同样可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程 ,这正是磁学研究的最新前沿———自旋电子学所要研究的主要内容。进入２１世纪 ,越来越多的利用自旋电子学制造的相关器件正一步步走入人们的日常生活 ,…     

与非共线铁磁引线耦合的双量子点环中电子的输运

用非平衡格林函数理论研究与两个铁磁引线连接的平行连耦合双量子点系统中电子输运性质。两个铁磁引线的磁矩相互成任意角度,即磁矩是非共线性的。通过调节磁矩间的角度,可以控制不同自旋方向电子的输运性质,从而能充分操作通过整个系统的电流和隧穿磁阻。两个铁磁弓I线磁矩间的相对角度对量子点中不同自旋电子的占据数有显著的影响,是决定电流和隧穿磁阻性质的内在机制。量子点间的耦合强度、量子点与引线的耦合强度等也会对系统的电流有明显的作用,从而提供了丰富的电流操控手段。本文研究的系统可以用作自旋阀,在自旋电子学器件中有实际的应用价值。     

NaCl型半金属铁磁体CrCa7Se8的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究,优化了具有NaCI结构的CrCa7Se8的几何结构．计算了其自旋极化的电子态密度,电荷分布和离子磁矩等电学和磁学性能,并分析了其电子结构,展望了其在自旋电子学中的应用。研究表明,CrCa7Se8在费米面处具有＋100％的自旋极化率,呈现出半金属性,其超胞磁矩为4．00μB,磁矩主要来源于过渡元素CrCa7Se8具有较宽的自旋带隙和较大的超胞磁矩,可作为自旋半导体材料的优质自旋注入材料。同时,它可能具有较高的居里温度,从而在自旋电子学中具有广泛的应用前景。Cr离子的电子结构为eg2↑t2g2↑。     

半导体中纯自旋流的探测

自旋电子学是利用电子的自旋而非电子的电荷作为信息载体而发展的物理和电子器件研究的分支领域.半导体中自旋流的测量在自旋电子学中起关键作用.本文从自旋流的基本性质出发,简要回顾了目前国际上探测自旋流的实验手段,以及作者最近提出的有关自旋流的光学效应和以此直接测量半导体中纯自旋流的理论.     

自旋电子学

本书是关于自旋电子学的新著，内容涉及磁纳米结构的材料、制造和特性，磁纳米结构中的磁性和自旋控制，半导体中的磁光性质、磁电子学及器件。     

外磁场和电流共同驱动的磁纳米柱中磁矩动力学

针对自由层与自旋极化层均为垂直磁各向异性材料的磁纳米柱结构,基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,利用微磁学模拟方法,研究了外磁场和电流导致的自旋转矩效应所驱动的自由层磁矩翻转特性.模拟结果显示磁矩翻转曲线中出现了多个"凸起"的非正常翻转状态;且凸起区域出现的位置与外加磁场大小、纳米柱尺寸和垂直磁各向异性相关,而与极化层磁矩的倾角大小无关.在自旋极化层的磁矩倾角给定时,凸起区域出现的磁矩状态有亚稳态、振荡态、稳定态3种.给出建立了它们随磁场和极化层倾角变化的参数相图.     

T型双量子点自旋二极管

用非平衡格林函数理论研究T型耦合的双量子点中自旋二极管效应。量子点与两个电子库或引线相耦合,其中的一个是正常金属,另一个为铁磁材料。由于两个引线铁磁性的不对称,流过系统的电荷流或者点中的电子占据数会在一定情况下出现二极管效应,即在正向电压时电流或占据数的自旋极化有极小值,当电压反向时,其自旋极化有极大值。这种自旋二极管效应与通常电子器件中的电荷二极管现象非常相似,在自旋电子学器件中有实际的应用价值。     

镧系超导体中条纹相(stripe phase)的研究评述

镧系超导体中,当掺杂空穴浓度等于1/8时出现的超导反常抑制现象一直是超导研究方面的一个焦点.J.M.Tranquada将La2-XSrXCuO4中出现的动态二唯无公度(incommensurate)自旋关联解释为电荷自旋相互分离的条纹相之后,人们对镧系超导体的电子-电子、电子-晶格、以及磁相互作用进行了系统的研究.但条纹相形成的驱动机制以及条纹相与超导电性的关系等基本问题仍没有得到充分的解释.     

四氧化三铁薄膜的电子输运性能

20世纪80年代后期,人们对电子器件小型化、高集成度以及高运算速度提出了更高的要求,以此为目标,通过对磁性多层膜、磁性颗粒膜、磁性半金属材料的巨磁电效应、霍耳效应等自旋相关电子输运性能的研究,逐渐形成了一门新兴的交叉学科-自旋电子学[1].自旋电子学将电子的自旋特性引     

全赫斯勒合金Cr2FeAl的磁性和半金属性

基于赫斯勒合金近年来在自旋电子学领域表现出的优势性能,采用第一性原理计算方法对全赫斯勒合金Cr₂FeAl的电子结构、半金属性和磁性进行了理论计算。计算结果表明,Cr₂FeAl合金是一种具有Hg₂CuTi型稳定结构的全赫斯勒合金,平衡晶格常数为5.806?;Cr₂FeAl合金表现出良好的半金属特性,具有100%的自旋极化率,半金属性会受到静水压力下的形变的影响;Cr₂FeAl合金具有良好的磁性,磁性主要来源于Fe-3d和Cr-3d轨道电子的非对称的自旋贡献。进一步研究表明,随着晶格常数的变化,Fe原子和Cr原子的磁矩发生明显变化,但是由于它们之间磁矩的反向耦合作用,合金总磁矩保持不变,说明静水压力下的形变对合金磁性几乎没有影响。     

基于磁斯格明子的器件设计研究进展

磁斯格明子是一种纳米级的拓扑自旋结构，由于其具有较好的稳定性、奇特的动力学特性以及较低的能耗，有望应用于未来超高密度存储和自旋电子器件而被磁学和自旋电子学领域高度关注.自2009年首次被观测到以来，人们对磁斯格明子的宿主材料体系、产生条件以及调控方式等方面进行了大量研究.过去对磁斯格明子的研究重点主要集中在基础科学上，然而近年来逐渐从基础科学向实际应用转变.重要的是，许多基于磁斯格明子的自旋电子器件已经被设计出来，并引起了人们的极大兴趣.主要介绍近几年来磁斯格明子器件的最新研究进展，其中包括赛道存储器件、逻辑运算器件、类晶体管器件、二极管器件、纳米振荡器以及类脑器件等.此外，根据磁斯格明子的特性，总结其在不同自旋电子器件中的应用，并预测未来磁斯格明子自旋电子器件的发展趋势.     

奇特原子核电荷半径的理论研究进展

电荷半径是描述原子核基本性质的可观测量之一,对于奇特原子核电荷半径的精确描述是核物理实验和理论研究的前沿课题．影响原子核电荷半径大小的因素有很多,例如形变、对关联、壳闭合效应等,因此需要发展一个统一的理论模型．对于奇特原子核电荷半径的精确描述,一方面可以更深层次地揭示核子-核子有效相互作用,对理论模型参数进行约束;另一方面,可靠的电荷半径数值作为输入参量,对核天体演化研究具有重要意义．本文简要介绍关于奇特原子核电荷半径的理论研究进展,分析了不同理论模型对电荷半径的壳效应和奇偶效应的描述;结合Ca和Rb同位素链电荷半径的变化趋势,分析指出中子-质子关联和自旋-轨道相互作用在精确描述原子核电荷半径中起到了很重要的作用．      

Co/AlO/FeNi三层膜的磁结构特性

利用多靶离子束溅射配合振动样品磁性分析技术对Co/AlO/FeNi纳米三层膜进行了分步制备与磁特性研究.分析结果表明,Co膜与FeNi膜的层间耦合强度及类型取决于中间隔离层(铝膜或氧化铝膜)的性能和厚度;垂直样品膜平面的电流输运机制源于电子隧穿和自旋电子流对铁磁层局域磁矩的作用.     

C掺杂ZnS纳米线电子性质和磁性质

运用第一性原理方法研究了C掺杂ZnS纳米线的电子性质和磁性质.研究发现C原子趋于替代纳米线表面的S原子.所有掺杂纳米线显示了半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于C原子2p轨道的贡献.由于杂化,相邻的Zn原子和S原子也产生了少量自旋.在超原胞内,C、Zn和S原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.铁磁态和反铁磁态的能量差达到了121meV,表明C掺杂ZnS纳米线可能存在室温铁磁性,这在自旋电子学领域有很大应用前景.     

掺碳的钇铁金属互化物的自旋电子结构及其磁特性研究

使用自旋极化的原子轨道线性组合法计算了系列模型化合物Ｙ２Ｆｅ１７Ｃｘ（ｘ＝０、１、２、３）的电子结构，讨论了该化合物的磁特性．通过系统对比，证实了体积膨胀是增加这类互化物磁矩的关键因素．     

对称Anderson晶格的反铁磁极化

考虑最近邻格点 f电子的电荷相关和自旋相关,用局域方法研究了对称 An-derson 晶格中由局域磁矩引起的极化。结果表明,极化总是反铁磁的;当同一格点相反自旋 f 电子间的库仑作用增大或 d-f 电子间杂化强度减小时,这种反铁磁极化变强。     

ZnO基稀磁半导体的研究进展

现在的信息技术主要利用电子的电荷自由度去处理和传输信息,利用电子的自旋自由度去存储信息.而稀磁半导体同时利用了电子的电荷属性和自旋属性进行信息处理和存储,使其成为了一类新型的半导体.稀磁半导体具有很多特殊的性质,在高密度存储器、半导体集成电路、半导体激光器和量子计算机等领域将会有广阔的应用前景.本文主要介绍了近年来世界各国研究小组采用不同方法合成的ZnO基稀磁半导体,对其磁性进行了系统研究,分析了铁磁性产生的机理.     

稀土磁性材料

正稀土元素有独特的电子结构,优异的磁、光、电等物理化学特性,与3d金属构成的稀土功能材料广泛应用于电子信息、能源环保、国防军工和高新材料等领域。稀土磁性材料是稀土功能材料应用最广泛的材料。稀土永磁、稀土磁热效应、稀土磁致伸缩、稀土多铁性与磁电耦合和稀土高频磁性等磁性材料的研究具有丰富的科学内涵和重要的应用价值,其主要内容包括:(1)研     

Fe掺杂ZnO纳米线电子性质和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统地研究了Fe原子单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的形成能都比纯纳米线的形成能低,说明掺杂过程是放热的.计算结果显示Fe原子趋于占据纳米线表面位置.纳米线的总磁矩主要来源于Fe原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Fe、O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.表面掺杂纳米线显示出半导体特性,而中间掺杂纳米线显示出半金属性,在自旋电子学领域有广泛应用.