电子自旋在现代科技中的运用.docx

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电子自旋在现代科技中的运用

电子自旋在现代科技中的运用

指导老师：

蒋向东

学号：

20100051010021

姓名:

李智勇

一电子自旋共振

1.物理介绍

由于分子中的电子多数是成对存在，根据Pauling不相容原理，每对电子必为一个自旋向上，一个自旋向下，而磁性互相抵消。

因此必须有不成对电子的存在，才能表现磁共振，例如过渡元素重金属或者自由基的存在。

因为电子有1/2的自旋，所以在外加磁场下能级二分。

当外加具有与此能量差相等的频率电磁波时，便会引起能级间的跃迁。

此现象称为电子自旋共振。

缩写为ESR。

对相伴而产生的电磁波吸收称ESR吸收。

产生ESR的条件为νo（MHz）=1.4·g·Ho（高斯）。

式中νo为电磁波的频率，Ho为外部磁场强度，g为g因子（gfactor）或g值。

一个分子中有多数电子，一般说每二个其自旋反相，因此互相抵消，净自旋常为0。

但自由基有奇数的电子，存在着不成对的电子（其无与之相消的电子自旋）。

也有的分子虽然具有偶数的电子，但二个电子自旋同向，净自旋为一（例如氧分子）。

原子和离子也有具有净自旋的，Cu2+、Fe3+、和Mn2+等常磁性离子即是。

这些原子和分子为ESR研究的对象。

由于电子自旋与原子核的自旋相互作用，ESR可具有几条线的结构，将此称为超微结构（hyperfinestru-cture）。

g因子及超微结构都有助于了解原子和分子的电子详细状态。

也可鉴定自由基。

另外，从ESR吸收的强度可进行自由基等的定量。

因为电子自旋的缓和依赖于原子及分子的旋转运动，所以通过对ESR的线宽测定，可以了解原子及分子的动的状态虽然原理类似于核磁共振，但由于电子质量远轻于原子核，而有强度大许多的磁矩。

以氢核（质子）为例，电子磁矩强度是质子的659.59倍。

因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。

但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略。

举例而言，0.3特斯拉的主磁场下，电子共振频率发上在8.41吉赫，而对于常用的核磁共振核种——质子而言，在这样强度的磁场下，其共振频率为12.77兆赫。

2运用

（1）固态物理中，辨识与定量自由基分子（即带有不成对电子的分子）。

（2）化学，用以侦测反应路径

（3）生物医学领域，用在标记生物性自旋探子。

一般而言，自由基在化学上是具有高度反应力，而在正常生物环境中并不会以高浓度出现。

若采用特别设计的不反应自由基分子，将之附著在生物细胞的特定位置，就有可能得到这些所谓自旋标记或自旋探子分子附近的环境。

（4）晶体学，用来进行晶体内部缺陷的局部结构的研究。

一般需要配合测角器（Goniometer）。

一般而言，自由基在化学上是具有高度反应力，而在正常生物环境中并不会以高浓度出现。

若采用特别设计的不反应自由基分子，将之附着在生物细胞的特定位置，就有可能得到这些所谓“自旋标记”或“自旋探子”分子附近的环境。

（5）电磁自旋共振造影

原理概述

核磁共振成像是随着电脑技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。

医生考虑到患者对“核”的恐惧心理，故常将这门技术称为“磁共振成像”。

核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。

当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，以改变氢原子的旋转排列方向，使之共振，然后分析它释放的电磁波，由于不同的组织会产生不同的电磁波讯号，经电脑处理，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。

原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。

共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。

医学上的使用

氢核是人体成像的首选核种：

人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高、信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。

NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。

人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。

当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。

原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。

这样，病理变化就能被记录下来。

人体2/3的重量为水分，如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。

人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。

MRI所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。

由于MRI不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。

MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。

对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。

具有如下优点：

1对软组织有极好的分辨力。

对膀胱、直肠、骨、关节、肌肉等部位的检查比CT优胜；

2各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。

例如肝炎和肝硬化的T1值变大，而肝癌的T1值更大，作T1加权图像，可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤；

3通过调节磁场可自由选择所需剖面。

能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。

对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可以看到神经根、脊髓和神经节等。

不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面；

4对人体没有电离辐射损伤；

5原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像，例如氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。

缺点：

1和CT一样，MRI也是解剖性影像诊断，很多病变单凭核磁共振检查仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；

2对肺部的检查不优于X射线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多；

3对胃肠道的病变不如内窥镜检查；

4扫描时间长，空间分辨力不够理想；

5由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用。

在化学领域的应用

1.在高分子化学领域，如碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等；

2.在金属陶瓷中，通过对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的沙眼；

3.在火箭燃料中，用于探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况；

4.在石油化学方面，主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理

（6）自旋半导体

原理

利用电子的自旋来进行数据的存储、传输和计算的半导体我们称为自旋半导体研究自旋半导体的科学叫做自旋电子学。

自旋是电子的内禀性质，是纯量子效应，并且电子之间的自旋耦合方式和物质的磁性有密切关系，所以自旋半导体多是用掺杂磁性物质的半导体来制作的，使用磁场来控制自旋电流的极化和输运。

由于电子自旋的极化和输运需要非常少的电流来控制，并且自旋反转是瞬间完成的，所以自旋半导体器件具有极低的功耗和极快的反应时间，是下一代存储器的最有希望的备选技术。

运用

中国科学院半导体研究所的常凯研究员，博士生杨文基于多带的有效质量理论，研究了窄禁带半导体量子阱自旋半导体中的自旋轨道耦合，发现自旋劈裂随电子波矢的增加而呈现强烈的非线性关系。

他们建立的新模型能够很好地描述非线性行为，并给出了非线性起源的物理图像。

最近，他们同与美国斯坦福大学张守晟教授合作，研究了窄禁带半导体量子阱中的自旋Hall效应。

他们基于多带有效质量理论，采用Green函数方法，考虑到杂质散射的顶角修正，建立了关于n型和p型半导体中自旋霍尔效应的统一的理论框架。

该理论可以很好地处理强导带－价带耦合情形，即窄禁带半导体量子阱情形。

他们发现利用外加电场和量子阱宽度可以在窄禁带半导体量子阱中引致量子相变，从而实现本征自旋Hall效应的开关。

这种开关效应可能会被用来验证本征自旋霍尔效应的存在。

该系列的最新研究工作得到了国家基金委杰出青年基金和科学院知识创新工程项目的支持。

并以“IntrinsicSpinHallEffectInducedbyQuantumPhaseTransitionsinHgCdTeQuantumWells”为题发表在《物理评论快报》PRL,100,056602（2008）上。

这些工作引起了德国Wurzburg大学实验小组的强烈兴趣，相关实验工作正在进行中。

二,巨磁阻效应

是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。

这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。

巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。

（1）现象

物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。

左面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相同。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。

这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻；但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。

巨磁阻效应示意图。

FM（蓝色）表示磁性材料，NM（橘色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭头表示磁化方向；Spin的箭头表示通过电子的自旋方向；R（绿色）表示电阻值，绿色较小表示电阻值小，绿色较大表示电阻值大。

如右图所示，左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（蓝色），中间是非磁性材料薄膜层（橘色）。

（2）运用

巨磁阻效应在高密度读出磁头、磁存储元件上有着广泛的应用。

随着技术的发展，当存储数据的磁区越来越小，存储数据密度越来越大，这对读写磁头提出更高的要求。

巨磁阻物质中电流的增大与减小，可以定义为逻辑信号的0与1，进而实现对磁性存储装置的读取。

巨磁阻物质可以将用磁性方法存储的数据，以不同大小的电流输出，并且即使磁场很小，也能输出足够的电流变化，以便识别数据，从而大幅度提高了数据存储的密度。

巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上。

1994年，IBM公司研制成功了巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍[来源请求]，从而使得磁盘在与光盘的竞争中重新回到领先地位。

目前，巨磁阻技术已经成为几乎所有计算机、数码相机和MP3播放器等的标准技术。

利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁性随机存储器（MRAM），其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。

除此之外，巨磁阻效应还应用于微弱磁场探测器。

三塞曼效应

电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。

在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应.

（1）原理

不加外磁场时，原子在两个能级E1和E2（E1

原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级。

如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为

这里将磁感应强度B的方向取为z轴方向，μZ是磁矩在z方向上的投影。

mJ是电子总角动量J在z方向投影的量子数，可以取-J,-J+1,…J-1,J共2J+1个值，gJ是电子总角动量的朗德因子，μB是玻尔磁子。

这样，原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迁的能量差为：

对于自旋为零的体系有

。

由于跃迁的选择定则

，频率ν只有三个数值：

因此一条频率为ν的谱线在外磁场中分裂成三条谱线，相互之间频率间隔相等，为

。

洛伦兹应用经典电磁理论解释了正常塞曼效应，计算出了这个频率间隔。

通常把这个能量差的波数间隔

称为洛伦兹单位，符号

。

镉的643.847nm（1D2态向1P1态的跃迁）谱线在磁场不太强时就是表现出正常塞曼效应。

这两个态的g都等于1，在外磁场中，1D2分裂成5个子能级，1P1分裂成3个子能级，由于选择定则，这些子能级之间有9种可能的跃迁，有3种可能的能量差值，所以谱线分裂成3条。

塞曼效应示意图

（2）运用

　1.由塞曼效应实验结果去确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值,进而去确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值。

2.由物质的塞曼效应分析物质的元素组成。

3在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场

4塞曼效应也在核磁共振频谱学、电子自旋共振频谱学、磁振造影以及穆斯堡尔谱学方面有重要的应用。

四.电子自旋极化

电子同时具有电荷和自旋（磁矩）两种属性是人所共知的。

电子在导体中运动产生电流，对半导体价电子的调制发展起来的晶体管器件，这些都是人们非常熟悉的，是利用了电子电荷属性。

电子的自旋属性鲜为人知，这是因为自旋磁矩是有方向性的，通常情况下电子运动过程中自旋的方向是混乱的，显示不出自旋的属性。

电子在流动过程中自旋能保持向上或向下的电流称为极化自旋电流，极化自旋电流能保持的输运长度称为自旋扩散长度。

运用：

1.研究自旋电子材料，获得用氧化铝为势垒层的磁性隧道结材料室温磁电阻高达80％，镜面反射自旋阀室温下GMR为13％；探索了新型磁性半导体材料和高自旋极化率材料的新现象；用量子力学方法对一些物理问题建立相关理论。

2.完成16×16MRAM原理芯片的研制。

3.研制出具有自主知识产权的磁性环形隧道结及其在新型MRAM原理型器件上的应用，该环形隧道结采用电流驱动模式，具有环形磁路封闭漏磁小、驱动电流小、低功耗等优点，可能成为下一代MRAM的优选结构。

4.发现高自旋极化率材料的电致各向异性电阻现象，有可能成为基于新原理的信息存储器件。

5.研制出有自主知识产权的新一代反铁磁材（CrMn）Pt，具有替代现有反铁磁材料的前景；

6.双势垒隧道结的研究成果，推动了磁逻辑元器件和自旋晶体管的研究。

7.研制的四类磁传感器，将推动相关产业的技术进步。

8.建立起自旋电子学研究平台，成功制备出同时具有铁磁性和半导体特性的磁性超薄膜材料，实现自旋电子材料在纳米尺度下的可控生长和磁性调控。