磁學(xué)研究現(xiàn)狀與開(kāi)展趨勢(shì)現(xiàn)代磁學(xué)開(kāi)展簡(jiǎn)史新磁學(xué)研究的特點(diǎn)與開(kāi)展趨勢(shì)新磁學(xué)研究方向舉例報(bào)告內(nèi)容1894年居里確定了順磁磁化率與溫度成反比的實(shí)驗(yàn)定律〔居里定律〕1905年朗之萬(wàn)將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用到原子磁矩系統(tǒng)上，推導(dǎo)出居里定律1907年外斯〔Weiss〕假設(shè)分子場(chǎng)，解釋了自發(fā)磁化。經(jīng)典磁學(xué)的困難：無(wú)法解釋原子磁矩的大小；不能說(shuō)明分子場(chǎng)的起源。1924年烏倫貝克和古德施密特發(fā)現(xiàn)電子自旋-量子力學(xué)效應(yīng)

1926年海森堡揭示了分子場(chǎng)的微觀機(jī)制-交換作用斯托納、斯萊特和莫特提出巡游電子模型--過(guò)渡金屬的非整數(shù)磁矩現(xiàn)代磁學(xué)開(kāi)展簡(jiǎn)史現(xiàn)代磁學(xué)開(kāi)展簡(jiǎn)史新磁學(xué)研究是以自旋電子學(xué)概念的提出為起點(diǎn)的。電子具有電荷和自旋自由度，但傳統(tǒng)的微電子學(xué)器件功能設(shè)計(jì)主要是基于電荷，忽略了自旋自由度。實(shí)際上，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)低維納米尺度的體系中自旋自由度在很多方面優(yōu)于電荷，例如退相干時(shí)間長(zhǎng)、能耗低等。充分利用電子的自旋屬性，有可能獲得功能更強(qiáng)大、操控更方便、處理速度更快的新一代微電子器件。以此為契機(jī)，作為凝聚態(tài)物理的一個(gè)新的分支--自旋電子學(xué)出現(xiàn)了。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的探索，對(duì)傳統(tǒng)磁性根本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)逐漸趨于成熟盡管還存在一些有待于進(jìn)一步澄清的問(wèn)題，整體來(lái)講根本磁學(xué)理論已經(jīng)建立，對(duì)磁相關(guān)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不斷深化，從外表到本質(zhì)、從宏觀到微觀，解釋也逐漸趨于完善。對(duì)非強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)磁系統(tǒng)，已經(jīng)可以從理論上準(zhǔn)確預(yù)言體系的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)、磁化強(qiáng)度、電子自旋極化率。有關(guān)傳統(tǒng)固體軟磁和硬磁性的研究，已逐漸成為材料科學(xué)問(wèn)題，而較少在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域討論了，磁學(xué)研究的重心逐漸從傳統(tǒng)磁學(xué)轉(zhuǎn)向以自旋電子學(xué)為標(biāo)志的新磁學(xué)研究。現(xiàn)代磁學(xué)>>新磁學(xué)過(guò)渡新概念新效應(yīng)新規(guī)律1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合新磁學(xué)研究的特點(diǎn)與開(kāi)展趨勢(shì)和外表/界面物理的交叉。由于外表、界面的對(duì)稱(chēng)破缺、獨(dú)特的層間耦合以及增強(qiáng)的量子漲落效應(yīng)，自旋相關(guān)問(wèn)題例如自旋-軌道耦合、自旋相干性在這里得到更突出的表達(dá)。一個(gè)典型的例子是對(duì)二維電子氣系統(tǒng)〔例如石墨稀〕自旋流的產(chǎn)生與輸運(yùn)規(guī)律研究以及通過(guò)Rashba效應(yīng)對(duì)二維電子自旋輸運(yùn)行為的調(diào)控。另外一個(gè)例子是低維磁性問(wèn)題的研究。當(dāng)維度降低到可以與特征關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度相比時(shí)的特殊磁性、特殊界面問(wèn)題、交換偏置問(wèn)題。與關(guān)聯(lián)電子問(wèn)題的交叉。關(guān)聯(lián)量子現(xiàn)象的一個(gè)共同特征，是存在電荷、自旋、軌道、晶格等多種自由度或超導(dǎo)有序、磁性有序、電荷有序、軌道有序等多種有序相的共存和競(jìng)爭(zhēng)。關(guān)聯(lián)量子材料發(fā)現(xiàn)的各種新穎的量子現(xiàn)象正是來(lái)源于這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環(huán)境中，不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，這導(dǎo)致了關(guān)聯(lián)量子材料豐富的量子相態(tài)。探索體系在不同相之間的電子結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，研究關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中各種自由度隨參數(shù)改變而導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)于探索相關(guān)量子效應(yīng)的起源，研究更有效的量子調(diào)控機(jī)理尤為重要。龐磁電阻效應(yīng)多鐵性現(xiàn)象奇異外表/界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)磁學(xué)研究的特點(diǎn)與開(kāi)展趨勢(shì)傳統(tǒng)磁學(xué)關(guān)注磁矩之間的相互作用導(dǎo)致的集體激發(fā)行為，注重宏觀統(tǒng)計(jì)行為的研究。統(tǒng)計(jì)平均往往抹平了自旋的量子特性。與此不同，現(xiàn)代磁學(xué)更關(guān)心自旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為，自旋個(gè)體的輸運(yùn)規(guī)律、自旋弛豫行為以及自旋相干性的演變等，更加關(guān)注自旋的量子特性。磁學(xué)研究的特點(diǎn)與開(kāi)展趨勢(shì)2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索自旋電子學(xué)利用自旋自由度作為信息傳輸?shù)妮d體,其關(guān)鍵是要到達(dá)對(duì)固態(tài)系統(tǒng)中自旋自由度的有效操控。通過(guò)自旋--軌道耦合、自旋--電荷耦合及自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，利用電場(chǎng)、光場(chǎng)結(jié)合磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自旋態(tài)的調(diào)控，而傳統(tǒng)磁學(xué)那么主要利用磁場(chǎng)。一個(gè)典型的例子是自旋霍爾效應(yīng)的研究。對(duì)非磁性半導(dǎo)體施加外電場(chǎng),自旋--軌道耦合會(huì)導(dǎo)致在與電場(chǎng)垂直的方向上產(chǎn)生自旋流,同時(shí)在樣品的兩個(gè)邊界處形成取向相反的自旋積累，利用這一物理效應(yīng)可能實(shí)現(xiàn)自旋累積，產(chǎn)生自旋流。另外一個(gè)例子是自旋極化電流對(duì)固態(tài)磁矩的調(diào)控。當(dāng)自旋極化電流通過(guò)納米尺寸的鐵磁薄膜時(shí),與多層膜磁矩的散射會(huì)導(dǎo)致自旋角動(dòng)量由傳導(dǎo)電子到薄膜磁矩的轉(zhuǎn)移,引起薄膜磁矩的不平衡,發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)動(dòng)甚至磁化方向翻轉(zhuǎn)。橢圓偏振光對(duì)電子的選擇性激發(fā)也是產(chǎn)生自旋極化電流一種方式。3.更加注重自旋態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控研究1.更加注重和其他學(xué)科的交叉融合2.更加注重自旋個(gè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索3.更加注重自旋態(tài)的多場(chǎng)調(diào)控研究磁學(xué)研究方向1.自旋輸運(yùn)及自旋動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

時(shí)間分辨空間分辨

自旋Hall自旋熱電自旋注入新方法由于自旋-軌道耦合、自旋-電荷耦合、自旋-晶格耦合的存在，各種形式的外部/內(nèi)部擾動(dòng)通過(guò)對(duì)軌道的影響、對(duì)電荷序的影響、甚至通過(guò)自旋轉(zhuǎn)矩傳遞明顯影響系統(tǒng)的自旋結(jié)構(gòu)/序與自旋態(tài)。由于多場(chǎng)調(diào)控與磁調(diào)控原理方法上的不同，影響途徑不同，作用的結(jié)構(gòu)層次不同，突出的物理問(wèn)題不同，可以導(dǎo)致新物理原理、新物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及物性調(diào)控的空間。磁性體系的非磁量子調(diào)控的相關(guān)問(wèn)題應(yīng)該是磁學(xué)研究在未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)所關(guān)注的重點(diǎn)。有關(guān)研究包含以下幾個(gè)方面：2.固態(tài)磁性的多場(chǎng)量子調(diào)控3.低維磁性體系磁相關(guān)物理效應(yīng)4.新型磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新物理效應(yīng)探索低維自旋相關(guān)量子結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)與可控制備界面誘導(dǎo)新物態(tài)層間關(guān)聯(lián)彈性關(guān)聯(lián)物理關(guān)聯(lián)電荷關(guān)聯(lián)磁關(guān)聯(lián)軌道關(guān)聯(lián)雙交換超交換RKKY界面偶極電荷轉(zhuǎn)移自旋轉(zhuǎn)移電場(chǎng)對(duì)磁性的影響已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化物薄膜中應(yīng)變弛豫長(zhǎng)度約為10nm，磁相關(guān)過(guò)程的作用范圍約為2nm，界面有效作用長(zhǎng)度約為3~6nm，層間磁相互作用的傳遞長(zhǎng)度約為2~5nm，電子平均自由程約為1~2nm，非平衡載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度約為1~5nm。當(dāng)薄膜厚度小于或者接近上述特征長(zhǎng)度時(shí)，由于界面效應(yīng)、層間耦合效應(yīng)的影響，薄膜/多層膜系統(tǒng)的量子相變、量子有序現(xiàn)象及其調(diào)控都蘊(yùn)含了新的內(nèi)容，無(wú)論體系的磁行為、磁結(jié)構(gòu)還是電輸運(yùn)行為、電極化/介電行為、光電特性等都可能出現(xiàn)顛覆性變化，導(dǎo)致新量子態(tài)以及新物理效應(yīng)。OXIDEAOXIDEBOXIDEAOXIDEB特征關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度磁性材料與磁性、半導(dǎo)體、超導(dǎo)〔包括非常規(guī)超導(dǎo)〕、鐵電/壓電、熱電材料的組合調(diào)控界面/電荷/軌道/自旋結(jié)構(gòu)重組、電荷轉(zhuǎn)移、電聲相互作用、應(yīng)力效應(yīng)，界面誘導(dǎo)新物態(tài)拓?fù)浣^緣體態(tài)是由自旋--軌道耦合引起的新量子物態(tài)的一個(gè)例子。根據(jù)電子態(tài)結(jié)構(gòu)的差異，傳統(tǒng)意義上的材料被分為金屬和絕緣體兩大類(lèi)。而拓?fù)浣^緣體是一種與二者都不同的新的量子物態(tài)。這種物質(zhì)態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其外表那么是無(wú)能隙的金屬態(tài)。由于自旋--軌道耦合作用，在外表上會(huì)產(chǎn)生由時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性決定的無(wú)能隙的自旋分辨的外表電子態(tài)。這種外表態(tài)形成一種無(wú)有效質(zhì)量的二維電子氣。例一：關(guān)聯(lián)效應(yīng)體：絕緣態(tài)外表：自旋相關(guān)的導(dǎo)電通道例二：界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)很多重要物理過(guò)程在且只在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)生2-維電子氣，量子Hall效應(yīng)LaAlO3SrTiO3M.Basleticetal.NatureMaterials7,621(2021)A.Tsukazakietal.Science315,1388(2007)ZnO/ZnO:Mg例三：界面關(guān)聯(lián)效應(yīng)Emergentphenome