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电子自旋极化的输运过程固体中费米面附近的“自旋向上”和“自旋向下”
的电子数目可以不相等.此时,在外场作用下电子的输运过程表现为与自旋取向相关.通常这种情形出现在铁磁金属中.其中,Fermi面附近很高的电子状态密度造成两种自旋电子的子能带相对位移(交换分裂),以降低总能量,从而形成不同自旋子能带的填充不相同.这是材料具有净磁矩的原因,铁磁金属因此得名.同样理由(很高的电子状态密度),铁磁金属中的传导电子(s电子)与局域的d电子的散射过程成为电导的主要机制.由于两种自旋的子能带交换分裂,造成Fermi面上“自旋向上”和“自旋向下”
的电子的数目和未占据的空态数也不同.所以,上述s-d散射过程就与电子自旋的相对取向有关.称为自旋极化的电子输运过程.
1936年,N.F.Mott基于上述认识,提出了过渡金属电子的理论.他在与H.Jones合著的名著TheTheory of the Properties ofMetals and Alloys中,写道:
“我们对过渡金属的电导率有了如下认识:电流由s电子传递,其有效质量近乎于自由电子.然而电阻则取决于电子从s带跃迁到d带的散射过程.因为跃迁几率与终态态密度成正比,而局域性的d带在Fermi面上态密度是很大的,这就是过渡金属电阻率高的原因.”他还指出:“这种s-d散射率取决于s电子与d电子自旋的相对取向”.52年后,A.Fert在发现GMR效应的论文[1]中,就引述Mott理论来解释他观察到的现象,如图2(a)所示.十多年来,大量事实证明,Mott理论就是自旋电子学的理论基础.
铁磁金属中Fermi面附近的“自旋向上”和“自旋向下”的电子的数目不同这一推测,可以导出很多合理的物理结论.但是,直接的实验证明直到1975年才获得重要进展.法国Rennes大学的M.Julliere采用Fe/Ge/Co三层膜,测量两个铁磁膜电极之间电子通过半导体Ge的隧穿电流.物理过程的讨论如图2(b)所示.为了简化,假定Fermi面上仅有一种自旋子带的电子.隧穿的原则是,从第一个膜的Fermi面·438·物理上出发的某种自旋状态的电子,能否达到第二个膜的Fermi面上,取决于这种电子的自旋状态是否与第二个膜自旋子带上自旋状态相同.当两个铁磁膜磁化矢量彼此平行时[图2(b)之下部],两个膜中自旋子带中的“自旋向下”部分容许隧穿过程发生.当两个铁磁层的磁化反平行时[图2(b)之上部],由于结区两侧Fermi面上自旋状态不同,隧穿过程就被抑制了.这些过程(a)和(b)都可称为“磁阀门效应”.
作一个类比:在光学情形,一束偏振光通过一个检偏器.如果它的极化轴转90°(垂直)就可以阻止光束通过,这是“光学阀门”.然而,在磁学情形,磁化强度必须转动180°(反平行)才可以抑制电子传导.
用态密度示意图表示的巨磁电阻效应原理(a)电子从一个铁磁金属薄膜通过非磁金属到另一个铁磁金属薄膜的输运过程,图的上部表示两层铁磁薄膜的磁矩彼此反平行,图的下部表示两层铁磁薄膜的磁矩彼此平行;(b)电子从一个铁磁金属薄膜通过绝缘薄膜到另一个铁磁金属薄膜的隧穿过程,图的上、下部的意义和(a)中一致1975年在铁磁/半导体/铁磁三层膜中的磁隧穿测量,是在低温4·2K进行.平行和反平行磁化状态对应的电导相对差别为14%,这就是最早的隧穿磁电阻(TMR)效应.静止20年后,1995年日本科学家宫崎照宣报道了电导的相对变化在室温下达到18%.同年美国MIT研究组也报道了类似结果,这是继GMR效应之后最重大的进展.于是,在世界范围掀起了自旋电子学研究和开发的第二个高潮.
在自旋极化电子的输运过程(上述多层膜的电导、隧道结的电子隧穿或下面讨论的电子自旋注入等)中,最关键的三个特征长度,按从小到大排序是:
间接交换作用或RKKY交换作用长度dRKKY≈1nm,铁磁金属中电子平均自由程L≈10—30nm和自旋扩散长度dsd≈50—100nm.这些参数决定了GMR和TMR效应的物理实验元件或应用器件都只能处在“纳米结构”范畴,对技术提出了挑战.
