一、自旋阀与磁隧道结

1991 年，在 GMR 的基础上，发展了自旋阀结构（Spin Valve, SV），即通过反铁 磁层来钉扎一侧的铁磁层，使之对适当大小的磁场不敏感，从而可以获得相对较大的 磁阻变化率[5,6]。1995 年，J.S.Moodera 等[7,8]通过插入很薄的绝缘层，将钉扎层和自 由层分开，开发出磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）。隧穿电阻受磁场的 作用与自旋阀类似，呈现出 20%-40%的电阻变化率（如图 1.2 所示）。GMR 和 MTJ 在商 业上的应用十分广泛。比较重要的应用有：磁场传感器、硬盘读头、电流隔离器以及 磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory, MRAM）。

图 1.2 自旋相关的运输结构：（A）自旋阀；（B）磁隧道结[1] 二、自旋转移矩效应

1996 年， J.Slonczewski 和 L.Berger 在 理 论 上 预 言 了 自 旋 转 移 矩 效 应

（Spin-Transfer Torque, STT）[9,10]。即当自旋极化电流通过磁性材料时，电流中的 自旋电子会对费米面附近电子产生影响，使磁性薄膜磁化矢量发生改变。这一发现被 认为是继 GMR 之后自旋电子学领域的又一重要发现，使直接利用电流操控磁性材料的 磁矩成为可能。M.D.Stiles 等[11]认为自旋转移矩效应之所以发生在磁异质结中，是因 为从非磁性体到铁磁体的自旋流的横向分量在界面处被吸收。并通过自由电子模型和 第一性原理，对真实材料中三种不同的吸收机制进行了分析。

近几年来, 自旋转移矩效应引起了人们越来越多的关注。J.C.Sankey 等[12]利用 STT 开发了电激发磁存储器和纳米级别的微波振荡器。而基于 STT 转换的磁隧道结更

是吸引了大量开发者对 STT 转换磁随机存储器的兴趣（STT-MRAM）[13]。STT 这种效应， 正推动着新一代电流驱动磁性存储和逻辑器件的发展。

三、电控磁效应 磁性材料一旦被准备或者投入使用，很难改变其磁学性能。尽管在信息技术中，

磁性材料可以存储万亿的比特，但是在磁化翻转的过程中，磁性介质本身的性能并没 有发生改变。对于科技和基础科学，特别是电磁学和自旋电子学，外在调控磁性材料 性能的能力是迫切需要的[14,15]。为了使调控磁化的技术与半导体制备兼容，电场调控 磁化这一途径备受研究者的青睐。

2000 年，H.Ohno 等[16]报道了使用绝缘门电极场效应晶体管结构，在半导体合金 (In,Mn)As 薄膜中实现了铁磁体的电场调控。通过施加电场，可以等温可逆地改变空 穴诱导的铁磁性的转变温度。D.Chiba 等[17]通过施加电场改变(In,Mn)As 载流子的浓 度，成功地调控了磁化翻转所对应的矫顽力。紧接着，他们通过施加电场，调控了 (Ga,Mn)As 中的空穴浓度和磁各向异性，继而操纵了磁化矢量[18]（如图 1.3 所示）。随 着越来越多关于电场调控磁性的报道，电场调控磁性的研究逐渐显示出其重要性。

图 1.3 电场调控磁化矢量[18] 除自旋阀与磁隧道结、自旋转移矩效应及电控磁效应外，近年来，随着对电子自

旋研究的不断深入，自旋霍尔效应（Spin Hall Effect, SHE）[19,20]、自旋霍尔磁阻（Spin Hall Magnetoresistance, SMR）[21,22]、自旋赛贝克效应（Spin Seebeck Effect, SSE）

[23,24]等一批新的物理现象与效应不断被发现与认识，极大丰富和发展了自旋电子学的

相关理论。与此同时，基于电子自旋的器件也不断被开发。可以说，自旋电子学众多 的研究分支，正驱动着未来应用方式的巨大转变，推动着社会文明的发展与进步。