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自旋电子学ch5 自旋注入效应和 自旋晶体管 具有双稳磁化状态的纳米尺度磁性单元，可以与数字电子器件相集成而实现全新的功能。如利用自旋阀和磁隧道结可以实现MRAM器件。 由于铁磁金属3d能带的劈裂，导致自旋向上和自旋向下子带在费米面上状态密度的不同，从而导致自旋极化电流的形成。 阶段一：磁电子学 Electrons carrying a current in F could maintaintheir spin orientation when they are transported out of F and into a nonmagnetic material N, and that the spin coherence length in nonmagnetic metals is long. 阶段一：磁电子学 阶段一：磁电子学 自旋流 (spin current) 设想的自旋场效应晶体管 基本问题的含义（1） （1）自旋注入 “使传导电子自旋极化” 即产生非平衡的自旋电子（占有数） n↑ ≠ n↓ 方法之一，光学技术。光取向或光抽运。 方法之二，电学自旋注入。（便于器件的应用） 基本问题的含义（2） （2）自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体， 会在界面和半导体内产生“累积” 自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡。 这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！ （3）自旋检测 自旋状态的改变。 三种自旋注入实验 （1）电注入―电检测 （之一） FM/ Semic 界面 早期：效率太低，1％ P. R. Hammar et al，PRL 83，203（1999） S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999) （1）电注入―电检测 （之二） 近期： FM－肖特基势垒－SC， 据称效率达到 30％。 A. T. Hanbickia) et al APL 80，1240 （2002） （2）电注入―光检测（之一） 实验：磁性半导体电注入 和 偏振光检测 (Nature 402 (1999)790; ibid. 408 (2000)944) 产生： P型－(Ga,Mn)As 的自旋极化和N型－GaAs的非极化电子空穴进入InGaAs量子阱复合, 产生极化的场致发光. （T=6K; H=1,000 Oe） 检测：偏振光检测 （2）电注入―光检测（之二） 场致发光强度（左） 极化度（右） （3）光产生―光检测（之一） Wolf S A Awschalom et al， Science，2001，294，1488 强激光Pump在半导体中， 产生了 Spin-polarized state, 此时的半导体等效于”磁体”. 可以用Farady-Kerr 效应做光检测Probe. （3）光产生―光检测（之二） Schmidt “障碍” 电注入的问题在那里？ “从铁磁金属直接发射电子到半导体中”。 “这种自旋注入方式，面临一个基本障碍。 那就是这两种材料之间的电导失配。” Schmidt的计算模型 （1） 结构： FM金属（1） // 半导体（2） // FM 金属（3） 第一界面， 为 X＝ 0， 第二界面， 为 X＝ X0 两流体模型！ Schmidt的计算模型（2） 简化： 1维问题 （垂直界面方向） 任务： 首先，计算各个区域的“化学势” 和“自旋极化电流” 其次，计算半导体区域电流的 “自旋注入的效率” 问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？ Schmidt的计算模型（3） 自旋极化率定义 其中， 分别为 FM，SC，FM 对于注入区（铁磁金属）的自旋极化电流， 计算，接收区（半导体）自旋极化的电流 注意：电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。 Schmidt的计算模型（4） 需要，计算“自旋相关的”电流密度 。 自旋极化电