[科普中國]-自旋相關隧穿原理

自旋相關隧穿，也就是自旋相關的電子隧穿，電子隧穿的概率和自旋極化率的大小都受到磁場的影響。自旋相關隧穿原理這是電子自旋相關隧穿的原理分析。

定義自旋相關隧穿，也即自旋相關的電子隧穿，電子隧穿的概率和自旋極化率的大小都可以用磁場來改變。自旋相關隧穿原理這是電子自旋相關隧穿的原理分析。

研究背景近來，電子的自旋相關現(xiàn)象在凝聚態(tài)物理領域引起了越來越多人的興趣，這可能是因為該現(xiàn)象在數(shù)據(jù)存儲和自旋晶體管方面的潛在技術應用。自旋作為電子的最根本的特性，正在產(chǎn)生一個新的被稱為“自旋電子學”的研究領域，在該領域中，電子的自旋與電荷同等重要。另一方面，隨著材料制備技術的發(fā)展，人們可以生產(chǎn)出其厚度相當于5層原子的超薄材料，這就使得基礎研究可以更加精確地進行。

對于普通金屬，電子是自旋簡并的，不存在凈的磁矩，費米面附近自旋向上和自旋向下的電子態(tài)密度完全一樣，輸運過程中的電子流是非自旋極化的。但對于鐵磁性元素如Fe、Co、Ni等，其外層電子為3d和4s電子，當它們形成金屬或合金時，其4s電子形成很寬的能帶，近于自由電子狀態(tài)。d電子形成窄能帶（帶寬約為幾個eV），由于交換相互作用，自旋向上的子帶與自旋向下的子帶發(fā)生相對位移，各自的帶底分別下降與上升。這樣，自旋向上的子帶全部或絕大部分被電子占據(jù)，而自旋向下的子帶僅部分被電子占據(jù)，兩子帶的占據(jù)電子總數(shù)之差正比于其磁矩。盡管在費米面處還有受劈裂影響較小的s電子和p電子，但由于費米面處自旋向上和自旋向下d電子的態(tài)密度相差很大，在輸運過程中電子流仍然是部分自旋極化的。

相關試驗與原理分析自旋極化電子隧穿的實驗研究開始于1970年Tedrow和Meservey在一定的磁場和不同偏壓下對鐵磁金屬/非磁絕緣體/超導體隧道結(jié)中的隧穿電導的測量，測量結(jié)果見圖。

超導體的電子態(tài)密度在其能隙處存在十分尖銳的峰，在磁的作用下它們將分裂為不同自旋的兩套峰；由于隧穿電導的過程是費米面處一個電極的占據(jù)態(tài)的電子轉(zhuǎn)移至另一個電極的相同自旋的空態(tài)，因而這一過程與兩電極的態(tài)密度密切相關。當施加一定的正電壓降于鐵磁金屬時，鐵磁金屬的費米面朝低能方向正好位移至超導體自旋向上態(tài)密度的峰值處，所以這時隧道結(jié)的電導將為極大值。假定在隧道輸運過程中無電子的自旋翻轉(zhuǎn)，那么參與輸運的電子完全是自旋向上的電子，因為即使鐵磁金屬的費米面處有自旋向下的電子，但對應于它們的超導體中的自旋向下的能量處在費米能隙中，因而是完全禁戒的；如果在鐵磁金屬上加一定的負電壓，鐵磁金屬的費米面則朝高能方向恰好位移至超導體自旋向下態(tài)密度的峰值處，這時隧穿電導亦取極大值，而參與輸運的電子完全是自旋向下的電子。所以超導體電極在這里起著自旋探測器的作用。由于鐵磁金屬中電子自旋向上與自旋向下的載流子數(shù)不等（即自旋極化），這樣上自旋和下自旋電子對總隧穿電導的貢獻不同，其結(jié)果將導致隧穿電導與偏壓關系曲線的非對稱性。從這一非對稱性出發(fā)，便可以得到鐵磁金屬費米能級處傳導電子的自旋極化率。1

隧穿系數(shù)與磁感強度如圖顯示電子動能E=0.1eV和E=0.3eV兩種情況下的隧穿系數(shù)T與磁感強度B的關系的函數(shù)圖。從圖中可以看到：當磁場B=0時，自旋向上和自旋向下的電子有相同的隧穿系數(shù)，當B嘗0時則不同，磁場增加時，自旋向上的電子隧穿概率直線增加，而自旋向下的電子隧穿概率則近于直線下降.磁場可以抑制和它相反方向自旋的電子的隧穿.以上結(jié)果有一個簡單的解釋：因為電子有自旋，自旋可以取相反的兩個方向，它們在磁場中獲得不同的能量，不同能量的電子有不同的隧穿概率.用另一種表述來說，磁場降低了自旋方向和它平行的電子的勢壘高度，升高了自旋方向和它相反電子的勢壘高度，所以不同自旋方向的電子具有不同的隧穿系數(shù)。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學