自旋电子学

自旋电子学（意为自旋传输电子学），也被称为自旋电子学，是对固态设备中电子的固有自旋及其相关磁矩的研究，此外还有其基本电子电荷。自旋电子学领域涉及金属系统中的自旋电荷耦合；绝缘体中的类似效应则属于多金属学的范畴。自旋电子学与传统电子学的根本区别在于，除了电荷状态之外，电子自旋被作为另一个自由度加以利用，对数据存储和传输的效率产生影响。自旋电子系统最常在稀薄磁性半导体（DMS）和Heusler合金中实现，在量子计算和神经形态计算领域具有特殊意义。

自旋电子学产生于20世纪80年代关于固态设备中自旋依赖性电子传输现象的发现。这包括Johnson和Silsbee（1985年）对自旋极化电子从铁磁性金属注入正常金属的观察，以及AlbertFert等人和PeterGrünberg等人（1988年）独立发现的巨大磁阻。自旋电子学的起源可以追溯到Meservey和Tedrow开创的铁磁体/超导体隧道实验，以及1970年代Julliere对磁隧道结的初步实验。将半导体用于自旋电子学始于1990年Datta和Das提出的自旋场效应晶体管的理论，以及1960年Rashba提出的电偶极自旋共振。

电子的自旋是一种内在的角动量，与由于其轨道运动而产生的角动量是分开的。电子的自旋沿任意轴线的投影大小为{displaystyle{tfrac{1}{2}}hbar}，这意味着电子的作用是由其轨道运动引起的角动量。这意味着，根据自旋统计学定理，电子作为费米子行事。像轨道角动量一样，自旋有一个相关的磁矩，其大小表示为在固体中，许多电子的自旋可以共同作用于材料的磁性和电子特性，例如赋予其xxx磁矩，如铁磁体。在许多材料中，电子的自旋在向上和向下的状态下都同样存在，并且没有传输特性依赖于自旋。自旋电子器件需要产生或操纵自旋极化的电子群，从而产生过量的自旋向上或自旋向下的电子。任何依赖自旋的属性X的极化可以写成净自旋极化可以通过在自旋向上和自旋向下之间创造一个平衡的能量分割来实现。方法包括将材料置于一个大的磁场中（齐曼效应），铁磁体中存在的交换能或迫使系统失去平衡。这种非平衡群体可以维持的时间段被称为自旋寿命。{displaystylelambda}可以定义为非平衡自旋群可以传播的距离。可以被定义为非平衡自旋群体可以传播的距离。金属中传导电子的自旋寿命相对较短（通常小于1纳秒）。一个重要的研究领域是致力于将这种寿命延长到技术上相关的时间尺度。自旋极化群体的衰变机制可大致分为自旋翻转散射和自旋去杂。自旋翻转散射是固体内部一个不保存自旋的过程，因此可以将传入的自旋上升状态转换为传出的自旋下降状态。

自旋去杂是一个过程，其中具有共同自旋状态的电子群由于电子自旋前移的速度不同而随着时间的推移变得不那么极化。在密闭的结构中，自旋失调可以被抑制，导致半导体量子点的自旋寿命在低温下达到几毫秒。超导体可以增强自旋电子学的中心效应，如磁阻效应、自旋寿命和无耗散自旋电流。在金属中产生自旋极化电流的最简单方法是让电流通过铁磁材料。这种效应最常见的应用涉及巨磁电阻（GMR）装置。一个典型的GMR装置由至少两层铁磁材料组成，中间有一个间隔层。当铁磁层的两个磁化矢量对齐时，电阻将比铁磁层在恒定电压下流过的电流更低（所以电流更大）。