Spintronics-东南大学物理系.PDF

自旋电子学系列讲座 （第4讲） 东南大学物理系 翟亚 什么是自旋角动量转移（STT ）效应? H H hard soft GMR TMR: 磁化改变电流 能不能反过来呢? 自旋转移力矩：电流改变磁化！ 自旋角动量转移效应(简称STT效应) • 当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜或金属磁性多层 膜中时，极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到 铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而对铁磁薄膜磁矩产 生自旋矩，引起铁磁薄膜磁矩的不平衡，使之发生转动， 进动甚至使磁化方向翻转。 Theoretical prediction • Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 ±L7 (1996). • Berger, L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current. Phys. Rev. B 54, 9353 ±9358 (1996). 自旋转移力矩 非极化电流 自旋极化电流 自旋极化电流 改变了自旋方向 M1 M2 M2 钉扎层 非磁层 自由层  当外加电流穿过SPV或MTJ的被钉扎层时，电流被极化为与被钉扎 层磁化一致的方向，即变为自旋极化电流。  极化电流穿过自由层时，它与自由层的磁矩之间产生角动量转换， 使得它对自由层的磁矩产生一个力矩，  迫使自由层的磁化方向向与被钉扎层磁化一致的方向转动，即使得 SPV或MTJ的磁化方向呈平行排列的趋势。 当入射电流方向相反时？ • 电流首先通过自由层，它被自由层极化生成与自由层磁化方向一致的极 化电流。 • 这个极化电流通过被钉扎层时也会对其产生STT，但是由于被钉扎层的 磁矩方向较稳定，不容易改变。 • 而与此同时，极化电流中的次自旋电子，即与自由层磁化方向相反的自 旋电子，会被被钉扎层反射回自由层，从而对自由层的磁矩产生STT作 用。 • 结果使得自由层与被钉扎层的磁化呈反平行排列。 利用改变直接穿过SPV或MTJ的电流方向和大小，改 变磁化取向，形成高阻态和低阻态。 在临界电流处的自旋力 矩使两磁层磁矩平行和反 平行，R发生突变。 低场下两磁层磁矩反平 行，R达到最大。 LLG方程+ 自旋转移力矩 J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater., 159, L1 (1996)  自旋电流的横向分量被吸收，纵向分量成为该层的整个自旋 dM  dM M  M H eff  M  aJ (M M p )