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自旋工程

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自旋工程描述了控制和操纵量子自旋系统以开发设备和材料。这包括使用自旋自由度作为基于自旋现象的探针。由于量子自旋对物理和化学过程的基本重要性,自旋工程与广泛的科学和技术应用相关。目前的例子包括从玻色-爱因斯坦凝聚到基于自旋的数据存储和在最先进的硬盘驱动器中读取,以及从核磁共振光谱和电子顺磁共振光谱等强大的分析工具到磁共振的发展分子作为量子比特和磁性纳米粒子。此外,自旋工程利用自旋的功能设计具有新特性的材料,并提供对传统材料系统的更好理解和先进应用。许多化学反应旨在产生具有明确自旋特性的散装材料或单分子,本文的目的是概述研究和开发领域,重点是量子自旋的特性和应用。

介绍

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由于自旋是基本粒子的基本量子特性之一,它与大范围的物理和化学现象有关。例如,电子的自旋在原子的电子构型中起着关键作用,而原子的电子构型是元素周期表的基础。铁磁性的起源也与自旋相关的磁矩和自旋相关的泡利不相容原理密切相关。因此,上世纪初的mu-metals或Alnico等铁磁材料的工程可以被认为是自旋工程的早期例子,尽管当时自旋的概念还不为人所知。一般意义上的自旋工程只有在1922年Stern-Gerlach实验中首次对自旋进行实验表征之后,随后PaulDirac发展了相对论量子力学,才成为可能。这个理论是xxx个适应电子自旋及其磁矩的理论。虽然自旋工程的物理学可以追溯到20世纪头几十年量子化学和物理学的开创性发现,但自旋工程的化学方面尤其在过去20年内受到关注。今天,研究人员专注于专业主题,例如分子磁体或其他模型系统的设计和合成,以了解和利用现象背后的基本原理,例如磁性和化学反应性之间的关系以及金属微观结构相关的机械性能以及自旋(例如感光蛋白)和自旋传输的生化影响。

自旋工程研究领域

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自旋电子学

自旋电子学是利用电子的固有自旋及其在固态器件中的基本电荷,因此是自旋工程的一部分。自旋电子学可能是自旋工程最先进的领域之一,拥有许多重要的发明,这些发明可以在最终用户设备中找到,例如磁硬盘驱动器的读取头。本节分为基本的自旋电子现象及其应用。

基本自旋电子现象

  • 巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)、自旋阀
  • 自旋传递扭矩(STT)
  • 自旋注射
  • 纯自旋电流
  • 自旋泵送
  • 自旋波,磁共振
  • (逆)自旋霍尔效应
  • 自旋热量,自旋塞贝克效应

自旋电子学的应用

本节专门讨论自旋电子学的当前和未来可能的应用,这些应用利用一种或几种基本自旋电子现象的组合:

纺丝材料

特性受量子自旋决定或强烈影响的材料:

  • 磁性合金,即Heusler化合物
  • 石墨烯系统
  • 有机纺丝材料
  • 分子纳米磁体
  • 磁性分子
  • 有机自由基
  • 具有人工磁性的超材料

自旋工程

基于自旋的检测

通过基于自旋的现象表征材料和物理或化学过程的方法:

  • 磁光克尔效应(MOKE)
  • 核磁共振(NMR)
  • 中子散射
  • 自旋偏振光发射
  • 布里渊光散射(BLS)
  • X射线磁圆二色性(XMCD)

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词条目录
  1. 自旋工程
  2. 介绍
  3. 自旋工程研究领域
  4. 自旋电子学
  5. 基本自旋电子现象
  6. 自旋电子学的应用
  7. 纺丝材料
  8. 基于自旋的检测

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