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自旋电子学和自旋流


□ 沈顺清

  摘 要 传统的电子学完全忽略了电子自旋,这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向,自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础,探讨研发新一代电子产品的可能性,文章简单介绍了自旋电子学的动机、物理基础以及研究内容,并重点介绍了在自旋电子学器件中起关键作川的自旋流,文章从自旋流的定义、它能产生的物理性质和最近有关自旋流探测的理论和实验进展等三个方面进行阐述。

  关键词 自旋电子学,自旋流,量子自旋

  1、自旋电子学

  80年前,英国天才理论物理学家狄拉克将新生的量子力学和爱因斯坦的相对论结合,建立了相对论量子力学,成功地解释了电子为什么会具有一种特别的磁性或角动量,即自旋(电子自旋的基本性质见表1),自此,人们清楚地认识到电子不仅带有质量和基本电荷,还带有内禀自旋,在过去80多年里,量子力学的建立和发展使我们对物质的构成和结构,特别是电子的能带结构有了定量的认识,这为半导体晶体管的发明以及半导体工业的建立和快速发展提供了坚实的基础,到上个世纪70年代,传统的电子微处理器和电路被打包到半导体晶片上形成集成电路,随后单个微处理器的尺寸迅速减小,作为指标性的参数,半导体晶片上单位面积的晶体管和电阻数目,在过去的三四十年问,由最初的每12个月到目前的每18个月翻一番,这个指数增长的所谓摩尔定理归纳了半导体和信息工业的发展速度,使原本体积庞大的计算机变成了人们日常生活中不可缺少的用品和工具,这种迅速发展也使半导体晶片上的晶体管快速逼近纳米尺度,由于它不可能小于单个原子,这已变成大规模集成电路发展不可克服的物理极限,与此同时,有限尺度的物理器件引起的热耗散也是集成电路的一大障碍,在思考半导体工业发展方向和新的出路的时候,人们惊讶地发现现在几乎所有的电子产品都只利用了电子的电荷来传输能量和信息,作为电子内禀性质的自旋,除了材料磁性和简单的能级简并外,几乎被完全忽略,这使我们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向。

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摘自:物理 2008年第01期  
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