自旋电子学材料与器件

在21世纪，大数据、人工智能等高新信息科技飞速发展之际，自旋电子学凭借其在低功耗非易失存储和存算一体化方面的独特优势，已成为推动后摩尔时代集成电路革命性创新的关键技术。全书共10章。第1章概述自旋电子学的发展历程；第2章详细介绍自旋轨道力矩效应的物理原理、检测技术、材料选择及其调控与应用；第3章讨论电控磁效应的材料体系、物理机制和器件实用性；第4章专注于反铁磁自旋电子学，探讨反铁磁磁矩的调控与检测方法；第5章从横向输运、纵向输运和相干输运三个角度全面介绍磁子学；第6章解析磁斯格明子的生成、探测及其动力学特性，并探讨其在器件中的应用前景；第7章和第8章简要介绍拓扑磁性和二维磁性；第9章和第10章则阐述自旋电子学与光学、声学的交叉研究领域。本书汇集了自21世纪以来自旋电子学领域的重要研究成果，旨在兼顾前沿性、系统性和实用性，为材料科学、物理学、微电子学等领域的研究人员、技术专家及广大学生提供宝贵的参考资源。

前言
第1章 自旋电子学概述 1
1.1 自旋电子学发展历史简介 1
1.2 本书章节简介 3
参考文献 8
第2章 自旋轨道力矩效应 13
2.1 自旋轨道力矩效应简介 14
2.1.1 自旋轨道力矩效应的物理起源 14
2.1.2 自旋轨道力矩效应与自旋转移力矩效应对比 18
2.2 自旋轨道力矩效应的检测技术 19
2.2.1 反常霍尔回线偏移 19
2.2.2 谐波电压测试 20
2.2.3 自旋力矩–铁磁共振 22
2.3 各种材料体系中的自旋轨道力矩效应 24
2.3.1 重金属/铁磁 24
2.3.2 重金属/人工反铁磁 29
2.3.3 重金属/亚铁磁 31
2.3.4 拓扑绝缘体/铁磁 33
2.3.5 铁磁单层膜 35
2.3.6 其他体系 39
2.4 自旋轨道力矩效应的调控与应用 40
2.4.1 翻转效率 40
2.4.2 无辅助场翻转 43
2.4.3 自旋轨道力矩动力学 46
2.4.4 自旋轨道力矩器件 48
参考文献 53
第3章 电控磁效应 70
3.1 电控磁效应的器件构型与材料体系 70
3.1.1 磁性金属 73
3.1.2 磁性半导体 74
3.1.3 磁性氧化物 75
3.1.4 介电栅极材料 76
3.2 电控磁效应的物理机制 79
3.2.1 载流子调控 80
3.2.2 应变效应 83
3.2.3 交换耦合 87
3.2.4 轨道重构 90
3.2.5 电化学效应 92
3.2.6 电控磁五种机制的比较 96
3.3 电控磁效应的器件应用 98
3.3.1 电场辅助的磁隧道结翻转 98
3.3.2 电场驱动的磁化翻转 102
3.3.3 电场调控与自旋流的结合 104
3.3.4 MESO器件 106
3.3.5 电控磁展望 112
参考文献 113
第4章 反铁磁自旋电子学 131
4.1 反铁磁自旋电子学简介 131
4.1.1 反铁磁的磁学基础 131
4.1.2 反铁磁自旋电子学的物理基础 133
4.2 典型反铁磁材料 136
4.2.1 共线性 136
4.2.2 导电性 137
4.2.3 交错磁体 137
4.2.4 人工反铁磁 139
4.2.5 补偿型亚铁磁 140
4.3 反铁磁磁矩的操控机制 142
4.3.1 磁场操控 143
4.3.2 电流操控 144
4.3.3 电场操控 151
4.3.4 光学操控 154
4.4 反铁磁磁矩的探测方法 155
4.4.1 磁序探测 157
4.4.2 磁畴成像 161
4.5 反铁磁磁矩调制自旋流产生 162
4.5.1 反铁磁中的电荷自旋转化 163
4.5.2 可控的自旋流和自旋轨道力矩 167
4.5.3 自旋泵浦效应和自旋泽贝克 172
4.6 反铁磁自旋电子学器件 174
4.6.1 反铁磁随机存储器 174
4.6.2 反铁磁纳米振荡器 175
参考文献 177
第5章 磁子学 193
5.1 磁子学的物理基础 193
5.2 磁子的横向输运 195
5.2.1 (亚) 铁磁器件 195
5.2.2 反铁磁器件 197
5.3 磁子的纵向输运 199
5.3.1 磁子阀 200
5.3.2 自旋拖曳器件 201
5.3.3 反铁磁层调制器件 203
5.4 磁子的相干输运 205
5.4.1 相干磁子的产生与探测 205
5.4.2 磁子相干输运现象 208
5.4.3 磁子相干输运的应用 211
5.5 磁子转移力矩效应 213
参考文献 215
第6章 磁斯格明子.220
6.1 磁斯格明子概述 220
6.1.1 磁斯格明子的拓扑物理 220
6.1.2 磁斯格明子的发展历程 222
6.2 磁斯格明子的产生 224
6.2.1 磁场 225
6.2.2 极化电流 227
6.2.3 电场 228
6.2.4 其他途径 230
6.3 磁斯格明子的探测 232
6.3.1 显微学探测 232
6.3.2 电学探测 233
6.4 磁斯格明子的动力学 234
6.4.1 磁斯格明子与电流的相互作用 235
6.4.2 斯格明子霍尔效应 236
6.5 磁斯格明子的器件应用 237
6.5.1 赛道存储器 237
6.5.2 磁逻辑 239
6.5.3 基于磁斯格明子的神经形态模拟 240
参考文献 242
第7章 磁性拓扑材料 249
7.1 磁性拓扑绝缘体 249
7.1.1 理论基础 249
7.1.2 实验实现 250
7.2 磁性外尔半金属 254
7.3 反铁磁狄拉克半金属260
参考文献 262
第8章 二维磁性 264
8.1 二维磁性的起源与发展历程 264
8.1.1 二维磁性的起源 264
8.1.2 二维磁性的发展历程 266
8.2 典型二维磁性材料的类型与特点 266
8.2.1 铁磁金属 267
8.2.2 铁磁半导体 269
8.2.3 反铁磁半导体 270
8.3 二维磁性的表征技术 275
8.3.1 电学技术 275
8.3.2 光谱技术 278
8.4 二维磁性的多场调控 282
8.4.1 电压调控 282
8.4.2 应变调控 285
8.4.3 成分调控 286
8.4.4 嵌入调控 288
8.5 基于二维磁性材料的自旋电子学现象 288
8.5.1 堆垛效应 288
8.5.2 界面效应 290
8.5.3 磁能带效应 294
8.6 基于二维磁性材料的自旋电子学器件 296
8.6.1 二维磁性霍尔器件 296
8.6.2 全二维自旋阀与隧道结 298
8.6.3 二维磁子输运器件 299
参考文献 300
第9章 太赫兹自旋电子学 311
9.1 太赫兹自旋电子学概述 311
9.2 基于电子自旋的太赫兹波辐射 312
9.2.1 超快退磁辐射太赫兹波 312
9.2.2 逆自旋霍尔效应辐射太赫兹波 314
9.2.3 界面Rashba效应辐射太赫兹波 318
9.2.4 反铁磁共振辐射太赫兹波 322
9.3 太赫兹脉冲的性能、偏振及其频谱的调控 323
9.3.1 自旋太赫兹脉冲性能的提升 323
9.3.2 自旋太赫兹脉冲偏振的调控 326
9.3.3 自旋太赫兹脉冲频谱的调控 330
9.4 自旋相关的太赫兹光谱探测 332
9.5 太赫兹自旋波的激发及其探测 334
参考文献 337
第10章 自旋声电子学 343
10.1 自旋声电子学的物理基础 343
10.1.1 磁弹耦合 343
10.1.2 磁–旋转耦合 345
10.1.3 自旋–旋转耦合 345
10.1.4 旋磁耦合 347
10.1.5 磁子–声子耦合 347
10.2 声控磁性和自旋 348
10.2.1 声波驱动的磁化动力学 348
10.2.2 声波辅助的磁化翻转 354
10.2.3 声波辅助的磁织构产生及运动 357
10.2.4 声波产生自旋流 361
10.2.5 声学太赫兹发射 363
10.3 磁控声波 364
10.3.1 声波参数的磁调控 365
10.3.2 声波的非互易传播 365
10.4 新型磁声器件 367
10.4.1 基于直接磁电耦合的磁电器件 368
10.4.2 基于逆磁电耦合的磁电器件 373
10.4.3 基于直接和逆磁电耦合的磁电器件——磁电天线 377
参考文献 383