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1、磁学研究现状与发展趋势,现代磁学发展简史 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究方向 举例,报 告 内 容,1894年 居里确定了顺磁磁化率与温度成反比的实验定律（居里定律）1905年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上，推导出居里定律 1907年外斯（Weiss）假设分子场，解释了自发磁化。经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小；不能说明分子场的起源。,1924年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋-量子力学效应 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型-过渡金属的非整数磁矩,现代磁学发展简史,在基本磁学问题研究取得不断进展的同时，磁性材料的应用也
2、得到了快速发展。在工业化潮流的推动下，上个世纪早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡莫合金等软磁材料。之后，在无线电技术需求的推动下，40年代又发展了适用于射频的磁粉介质、铁氧体材料，特别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。和软磁材料不同，去掉磁场后仍能保持磁性的材料称为永磁材料。按照磁体成分划分，永磁材料的发展历程可以分为三个阶段。第一阶段：金属磁体题，碳钢、钨钢及钴钢等；第二阶段：铁氧体；第三阶段：稀土永磁材料。永磁材料在微波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、国防和日程生活等各领域的应用极为广泛。,现代磁学发展简史,新磁学研究是以自旋电子学概念的提出为起点的。电子具有
3、电荷和自旋自由度，但传统的微电子学器件功能设计主要是基于电荷，忽略了自旋自由度。实际上，随着研究的深入，人们发现低维纳米尺度的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷，例如退相干时间长、能耗低等。充分利用电子的自旋属性，有可能获得功能更强大、操控更方便、处理速度更快的新一代微电子器件。以此为契机，作为凝聚态物理的一个新的分支-自旋电子学出现了。,经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识逐渐趋于成熟 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲基本磁学理论已经建立，对磁相关现象的认识不断深化，从表面到本质、从宏观到微观，解释也逐渐趋于完善。对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基
4、态磁结构、磁化强度、电子自旋极化率。有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料科学问题，而较少在凝聚态物理领域讨论了，磁学研究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电子学为标志的新磁学研究。,现代磁学新磁学过渡,微电子技术信息技术纳米科技,新概念,新效应,新规律,自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体，探索自旋运动规律，实现磁调控与电调控的有机结合。结合了磁性物理与半导体物理的磁性半导体、稀磁半导体是过去十年中凝聚态物理的重点研究方向之一 与信息物理、技术的交叉。信息技术的关键是信息的存储、传输与处理。磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术。同时，以巨磁电
5、阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用，以隧道磁电阻效应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明:非磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制,利用自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯，引领新一代信息技术,1.更加注重和其他学科的交叉融合,新磁学研究的特点与发展趋势,和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、独特的层间耦合以及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋-轨道耦合、自旋相干性在这里得到更突出的体现。一个典型的例子是对二维电子气系统（例如石墨稀）自旋流的产生与输运规律研究以及通过 Rashba 效应对二维电子自旋
6、输运行为的调控。另外一个例子是低维磁性问题的研究。当维度降低到可以与特征关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。与关联电子问题的交叉。关联量子现象的一个共同特征，是存在电荷、自旋、轨道、晶格等多种自由度或超导有序、磁性有序、电荷有序、轨道有序等多种有序相的共存和竞争。关联量子材料发现的各种新颖的量子现象正是来源于这些自由度或有序相的相互作用。在不同的材料或不同的外界环境中，不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，这导致了关联量子材料丰富的量子相态。探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律，研究关联电子系统中各种自由度随参数改变而导致的电子结构的改变，对于探索相关量子效应的起源，研究
7、更有效的量子调控机理尤为重要。,庞磁电阻效应多铁性现象奇异表面/界面关联效应,磁学研究的特点与发展趋势,传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计行为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性。与此不同，现代磁学更关心自旋的运动学与动力学行为，自旋个体的输运规律、自旋弛豫行为以及自旋相干性的演变等，更加关注自旋的量子特性。,磁学研究的特点与发展趋势,2.更加注重自旋个体运动规律的探索,自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体,其关键是要达到对固态系统中自旋自由度的有效操控。通过自旋-轨道耦合、自旋-电荷耦合及自旋转移力矩效应，利用电场、光场结合磁场实现自旋态的调控，而传统磁
8、学则主要利用磁场。一个典型的例子是自旋霍尔效应的研究。对非磁性半导体施加外电场,自旋-轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流,同时在样品的两个边界处形成取向相反的自旋积累，利用这一物理效应可能实现自旋累积，产生自旋流。另外一个例子是自旋极化电流对固态磁矩的调控。当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁薄膜时,与多层膜磁矩的散射会导致自旋角动量由传导电子到薄膜磁矩的转移,引起薄膜磁矩的不平衡,发生转动、进动甚至磁化方向翻转。椭圆偏振光对电子的选择性激发也是产生自旋极化电流一种方式。,3.更加注重自旋态的多场调控研究,1.更加注重和其他学科的交叉融合,2.更加注重自旋个体运动规律的探索,3.更加注重
9、自旋态的多场调控研究,电子具有两个重要属性：电荷与自旋。很多重要的物理发现例如导电性、超导电性、巡游磁性、巨磁电阻效应及微电子器件的各种功能都和电荷输运过程密切相关。自旋相关输运问题包括自旋流的产生、调控、输运规律、自旋相干性、自旋动力学行为以及相应的检测方法技术的研究。稀磁半导体（包括氧化物稀磁半导体与常规稀磁半导体）的研究，主要目的之一就是为了获得高自旋注入效率 利用自旋轨道耦合特性，采用电场控制不同自旋取向载流子的分布，即自旋霍尔效应，也是一种获得自旋流的方式。新自旋流产生方法原理、技术仍然是一个重要的研究课题 有机半导体因为其弱自旋-轨道耦合引起人们的极大关注，在这里自旋具有相当长的扩
10、散距离。但是有机半导体的主要输运方式为极化子导电，具有强电-声耦合，常常产生不利影响。而常规稀磁半导体作为自旋载体，居里温度常常过低。由此可见，新自旋流载体探索是未来一个时期磁电子学研究的关键 由于量子点的零维特性,电子的轨道态是量子化的,电子自旋态由于自旋翻转机制的有效抑制而变得十分稳定，被认为是量子比特的最佳选择。作为新磁学的外延领域，低维体系的自旋动力学问题也应该得到进一步的关注。,磁学研究方向,1.自旋输运及自旋动力学问题,由于自旋-轨道耦合、自旋-电荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各种形式的外部/内部扰动通过对轨道的影响、对电荷序的影响、甚至通过自旋转矩传递明显影响系统的自旋结构/序与
11、自旋态。由于多场调控与磁调控原理方法上的不同，影响途径不同，作用的结构层次不同，突出的物理问题不同，可以导致新物理原理、新物理规律的发现以及物性调控的空间。磁性体系的非磁量子调控的相关问题应该是磁学研究在未来一个时期内所关注的重点。有关研究包含以下几个方面：,2.固态磁性的多场量子调控,自旋转移力矩效应。研究表明，当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜时,极化电流与薄膜的散射会导致从传导电子到薄膜磁矩的自旋角动量转移,从而引起铁磁薄膜磁矩的不平衡,发生转动、进动甚至磁化方向翻转。这一效应提供了新的磁化方向调控方式，可能解决高密度磁信息存储中的散热及高能耗等关键问题；随着信息科学和技术的发展，将出
12、现对自旋纳米振荡器和自旋微波探测器的重大应用需求，利用自旋转移力矩效应还可以激发微波振荡以及自旋波，是极有潜力的研究方向 外部扰动对固态体系内禀磁性的影响。此前人们多关注磁性体系磁化取向在外界扰动如磁场、电场及光辐照下的变化，很少涉及体系内禀磁性。实际上，外部扰动可以通过对载流子浓度和运动状态、对能带结构以及电子填充情况的影响，进而影响体系内禀磁性。以往工作多关注输运特性的调节特征（如磁电阻效应），内禀磁性的调控可能开辟物性调控的新空间 磁化过程的电场控制问题。典型的问题是物质多铁性的研究。多铁性是指在一种材料中存在铁磁/反铁磁序和铁电序。利用电场对电极化形态的影响以及铁序和电序间的强烈关联，
13、可能实现电场对于体系磁化形态的控制。这一效应在高密度信息存储互、电磁信号处理/屏蔽、电磁能量转换等领域具有非常广泛的应用前景。众所周知，由于对对称性的不同要求，铁电与铁磁序无法共存。但是，研究表明通过对电荷、轨道序等的调节可实现螺旋磁序与铁电序的共存，从而向磁、电互控的目标迈进了一大步。决定磁电关联的物理机制以及如何获得强电磁关联是亟待进一步研究的问题。,典型的物理特征长度如交换长度、自旋扩散长度以及电子平均自由程在10-103纳米尺度范围内。当磁性物质尺寸与特征尺度可以相比或更小时，由于量子尺寸效应的增强，可能出现一系列新颖物理现象，所以，低维体系的基本磁性与磁电关联效应的深入系统不但有助于
14、对磁性起源、磁关联根本规律的认识，还可能大大加强物质磁性的设计与量子调控能力，为建立在磁相关效应基础上的新型微电子器件、超高密度存储技术提供原理储备。表面、界面体系、超薄膜、各种磁性隧道结和巨磁电阻纳米多层膜、纳米多层膜异质结、纳米线、纳米管、原子链以及纳米颗粒等。重点关心的问题包括：（1）磁性纳米体系的自旋结构、与不同性质背景物质（铁磁性/反铁磁性、铁电性/反铁电性）间的相互作用及相关效应；（2）具有不同磁序的磁纳米体系、磁量子点的自旋动力学行为、纳米结构畴壁运动规律与涡漩畴变化动力学；（3）纳米线/纳米管、原子链/准原子链磁矩、磁畴的检测及操纵；（4）单向各向异性交换偏置现象及磁各向异性的
15、人工调节；（5）磁关联的传递以及层间铁磁、反铁磁耦合及其振荡现象等;（6）与超高密度磁记录相关的一些关键问题如磁记录过程的非磁写入、强垂直磁各向异性磁性体系的探索、纳米尺寸磁性颗粒超顺磁行为的抑制与延迟，基于纳米尺度磁畴的三维磁存储等问题；(7)磁电阻振荡效应、量子阱效应，磁性杂质导致的近藤效应、纳米磁性颗粒（磁性量子点）引起的自旋相关库仑阻塞效应及由此导致的巨隧道磁电阻效应等。在引入纳米体系的量子调制的基础上，这里还应该关注前边所属两部分内容。,3.低维磁性体系磁相关物理效应,充分利用对物质科学规律的认识，利用先进的实验技术与计算模拟能力，以基本理论为指导通过精确可控人工材料制备技术进行具有
16、特殊磁结构新材料的设计以及新物理效应的探索。除通常的铁磁、反铁磁等磁有序结构，具有特殊长程自旋结构磁性体系-阻锉磁体、手性磁体、有机和分子磁体、磁性半导体、半金属磁体-在很多方面都显示了其特殊的重要性，例如，由于对对称性的要求不同，长程铁磁序与鉄电序无法在同一体系中共存。但是，最近的研究表明通过对电荷、轨道序等的调节可实现获得螺旋磁结构，而后者与长程铁电序兼容，从而使体系显示了一系列奇异物理行为-强电磁关联性。量子相变、量子临界现象的研究是新奇物理效应探索的重要途径之一。阻锉磁体则是研究量子涨落与量子相变的理想体系。磁量子相变是最为普遍的量子相变现象，原因是材料的低维磁结构和几何磁阻挫大大加剧
17、了量子自旋涨落，同时，电子间的局域关联使电荷自由度低温下冻结，自旋自由度得以凸显。有机磁体除可能具有轻便及透明的特点外，更重要的是自旋-轨道耦合弱，是理想的自旋载体材料。磁性材料中电荷、自旋和轨道序以及相关的量子临界现象也是值得重视的方向。组合不同量子序体系，利用自由度间的强烈关联设计新自旋结构；通过对特定自由度的调节，实现不同物理性质之间的交叉调控，进而实现量子物态的多场调控。拓扑绝缘体态是由自旋-轨道耦合引起的新量子物态的一个例子。,4.新型磁结构设计及新物理效应探索,凝聚态物理重要科学发现和材料的制备密切相关，如整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、巨磁阻、高温超导等等，正所谓“谁掌握了材
18、料谁就控制了物理”。凝聚态物理的一个重要的发展趋势是研究的对象不断向着低维和纳米尺寸方向延伸，研究对象形式包括量子点、量子线、超薄膜、异质结、自组织有序纳米结构等，构成这些结构的材料可以覆盖从半导体、超导（包括非常规超导）、磁性、铁电/压电、热电、拓扑绝缘体一直到常规绝缘体的绝大多数材料。调控界面/电荷/轨道/自旋结构重组、电荷转移、电声子相互作用、应力效应等微观过程，界面诱导新物态。关联自由度包括电荷、自旋和轨道序。与表面过程相关的非平衡条件下的生长动力学，与高分辨率高灵敏度原位表征和测量技术、理论模拟结合，是未来凝聚态物理最有生命力的一个研究领域。新材料的发展将对前沿领域研究起到引领作用。
19、,低维自旋相关量子结构材料的设计与可控制备,界面诱导新物态,层间关联,弹性关联,物理关联,电荷关联,磁关联,轨道关联,双交换,超交换,RKKY,界面偶极,电荷转移,自旋转移,电场对磁性的影响,已经发现，氧化物薄膜中应变弛豫长度约为10 nm，磁相关过程的作用范围约为2 nm，界面有效作用长度约为36 nm，层间磁相互作用的传递长度约为25 nm，电子平均自由程约为12 nm，非平衡载流子扩散长度约为15 nm。当薄膜厚度小于或者接近上述特征长度时，由于界面效应、层间耦合效应的影响，薄膜/多层膜系统的量子相变、量子有序现象及其调控都蕴含了新的内容，无论体系的磁行为、磁结构还是电输运行为、电极化/
20、介电行为、光电特性等都可能出现颠覆性变化，导致新量子态以及新物理效应。,OXIDE A,特征关联长度,磁性材料与磁性、半导体、超导（包括非常规超导）、铁电/压电、热电材料的组合,调控界面/电荷/轨道/自旋结构重组、电荷转移、电声相互作用、应力效应，界面诱导新物态,拓扑绝缘体态是由自旋-轨道耦合引起的新量子物态的一个例子。根据电子态结构的差异，传统意义上的材料被分为金属和绝缘体两大类。而拓扑绝缘体是一种与二者都不同的新的量子物态。这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。由于自旋-轨道耦合作用，在表面上会产生由时间反演对称性决定的无能隙的自旋分辨的表面电子态。这种表面态形
21、成一种无有效质量的二维电子气。,例一：关联效应,体：绝缘态表面：自旋相关的导电通道,例二：界面关联效应,很多重要物理过程在且只在异质结构中发生,2-维电子气，量子 Hall 效应,M.Basletic et al.Nature Materials 7,621(2008),A.Tsukazakiet al.Science 315,1388(2007),ZnO/ZnO:Mg,例三：界面关联效应,Emergent phenomena,电场对磁性的影响,例四：磁性调控,磁场-磁性应变-磁各向异性Spin-torque-磁性电场-磁性,例五：磁性调控,例六：磁性调控,例七：自旋调控,例八：自旋调控,例九：自旋调控,自旋Hall 反自旋Hall Rashba 效应 拓扑绝缘体,例十：自旋调控,谢 谢！,
