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目次
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磁學是一門古老的學科，已有幾百年的發展歷史。過去磁學主要研究塊體的順磁體和鐵磁體，鐵磁體也就是永磁體是發電機的關鍵部件，而順磁體(軟磁材料)是變壓器的關鍵部件。電氣化對一個國家的經濟有重大意義，因此提高和改進塊磁體的性能永遠是磁學研究者的責任。另外，近年發展起來的微納磁體與微電子技術：磁存儲器和傳感器技術密切相關。磁隨機存儲器(MRAM)有可能代替半導體存儲器，成為新一代的非易失性的存儲器。從基礎研究的角度看，做 MRAM 的磁性材料雖然還是通常所說的鐵磁體，但體積要小多了，是微米甚至納米尺度。它們和塊體材料不同，其中沒有磁疇，能夠做成單晶。“磁疇”的存在給材料的理論研究帶來了困難，所以以往的磁體理論只能是定性的。而微納磁體是單晶，就可以用一個統一的物理量 M 描述其中的磁化，並且 M 的運動可以用一個宏觀方程——LLG 方程描述，使得我們可以像處理半導體中電子態那樣，精確地處理微納磁體中 M 的運動規律。《微納磁電子學》研究微磁體中的電子學，利用 LLG 方程研究微納磁體中 M 運動規律的理論和方法，為研制 MRAM 及其他磁電子器件提供理論基礎。
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目錄
《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》出版前言
前言
引言 微納磁電子學 1
0.1 電磁學的發展歷史 1
0.2 20世紀磁學的發展 2
0.3 一門新的交叉學科——微納磁電子學 4
參考文獻 5
第1章 微納磁電子學與磁隨機存儲器的關係 6
1.1 磁電子學發展到微納磁電子學 6
1.2 MRAM的定義 7
1.3 各種存儲器的比較 9
1.4 MRAM的發展歷史 12
1.5 MRAM的基本原理 13
1.6 微納磁電子學的研究目的 18
參考文獻 19
第2章 磁學的一般概念：順磁性 20
2.1 原子的量子力學 20
2.2 順磁性的量子理論 21
2.3 磁化 22
2.4 晶格場效應 25
2.5 時間反演對稱性和自旋 26
2.6 軌道角動量被自旋-軌道耦合的部分恢復 28
參考文獻 33
第3章 鐵磁性 34
3.1 鐵磁性的外斯模型 34
3.2 鐵磁體的基態 36
3.3 自旋波激發 37
3.4 鐵磁性的能帶理論 40
3.5 鐵磁體內的有效內部場 44
3.6 鐵磁體中的鐵磁共振 46
3.7 影響鐵磁共振頻率的各種因素 48
參考文獻 53
第4章 自旋扭力的物理原理 54
4.1 微納鐵磁體的一些基本物理 54
4.2 自旋輸運的二流體模型 59
4.3 自旋流通過鐵磁/非磁界面的輸運 61
4.4 磁多層中電流驅動的激發 64
4.5 自旋扭力的物理原理 69
4.6 自旋扭力的理論 72
4.7 具有自旋扭力項的修正LLG方程 77
4.8 自旋扭力引起的磁動力學 78
參考文獻 81
第5章 微納磁體中用自旋極化電流控制自旋 82
5.1 具有自旋扭力項的LLG方程 83
5.2 LLG方程的數值計算 84
5.3 計算結果 85
5.3.1 自旋扭力效應 85
5.3.2 電流的效應 86
5.3.3 局域各向異性場的效應 88
5.3.4 阻尼因子α的效應 89
5.3.5 固定層中磁化方向ns的效應 90
5.4 小結 91
參考文獻 91
第6章 電場驅動的磁化開關和動力學 92
6.1 電壓控制的開關效應 97
6.2 初始磁化的效應 99
6.3 外加磁場的效應 100
6.4 外磁場傾斜角的效應 102
6.5 電場引起的鐵磁共振 104
6.6 小結 108
參考文獻 108
第7章 鐵磁共振的動力學 109
7.1 LLG方程 110
7.2 鐵磁共振的性質 111
7.2.1 在不同交變場頻率下磁矩的變化 111
7.2.2 磁矩振蕩的頻譜 113
7.2.3 鐵磁共振譜 114
7.2.4 阻尼因子的效應 115
7.2.5 內部各向異性場h1和h2的效應 115
7.2.6 磁場傾斜的效應 117
7.2.7 由自旋電流引起的自旋轉移扭力(SST)的效應 118
7.3 小結 119
參考文獻 119
第8章 自旋泵和純自旋流 120
8.1 自旋泵 121
8.1.1 基本方程 122
8.1.2 LLG方程和布洛赫方程 123
8.1.3 鐵磁單層/非鐵磁體模型 124
8.1.4 自旋流 126
8.2 自旋流的檢測 129
8.3 自旋流注入半導體 131
8.4 自旋流的應用——磁化開關 132
參考文獻 134
第9章 有限溫度的福克爾--普朗克方程處理 135
9.1 簡化的福克爾-普朗克方程 135
9.2 計算結果 142
9.2.1 本征值方程的收斂性 142
9.2.2 電流 (I/Ic-1) 的效應 143
9.2.3 內部場 Hk 的效應 144
9.3 有限溫度的宏觀自旋動力學 145
9.4 開關速度和宏觀自旋在自旋扭力下的動力學的簡單模型 147
9.5 自旋扭力放大的熱激發 149
9.6 應用 150
參考文獻 152
《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》已出版書目 153
《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》出版前言
前言
引言 微納磁電子學 1
0.1 電磁學的發展歷史 1
0.2 20世紀磁學的發展 2
0.3 一門新的交叉學科——微納磁電子學 4
參考文獻 5
第1章 微納磁電子學與磁隨機存儲器的關係 6
1.1 磁電子學發展到微納磁電子學 6
1.2 MRAM的定義 7
1.3 各種存儲器的比較 9
1.4 MRAM的發展歷史 12
1.5 MRAM的基本原理 13
1.6 微納磁電子學的研究目的 18
參考文獻 19
第2章 磁學的一般概念：順磁性 20
2.1 原子的量子力學 20
2.2 順磁性的量子理論 21
2.3 磁化 22
2.4 晶格場效應 25
2.5 時間反演對稱性和自旋 26
2.6 軌道角動量被自旋-軌道耦合的部分恢復 28
參考文獻 33
第3章 鐵磁性 34
3.1 鐵磁性的外斯模型 34
3.2 鐵磁體的基態 36
3.3 自旋波激發 37
3.4 鐵磁性的能帶理論 40
3.5 鐵磁體內的有效內部場 44
3.6 鐵磁體中的鐵磁共振 46
3.7 影響鐵磁共振頻率的各種因素 48
參考文獻 53
第4章 自旋扭力的物理原理 54
4.1 微納鐵磁體的一些基本物理 54
4.2 自旋輸運的二流體模型 59
4.3 自旋流通過鐵磁/非磁界面的輸運 61
4.4 磁多層中電流驅動的激發 64
4.5 自旋扭力的物理原理 69
4.6 自旋扭力的理論 72
4.7 具有自旋扭力項的修正LLG方程 77
4.8 自旋扭力引起的磁動力學 78
參考文獻 81
第5章 微納磁體中用自旋極化電流控制自旋 82
5.1 具有自旋扭力項的LLG方程 83
5.2 LLG方程的數值計算 84
5.3 計算結果 85
5.3.1 自旋扭力效應 85
5.3.2 電流的效應 86
5.3.3 局域各向異性場的效應 88
5.3.4 阻尼因子α的效應 89
5.3.5 固定層中磁化方向ns的效應 90
5.4 小結 91
參考文獻 91
第6章 電場驅動的磁化開關和動力學 92
6.1 電壓控制的開關效應 97
6.2 初始磁化的效應 99
6.3 外加磁場的效應 100
6.4 外磁場傾斜角的效應 102
6.5 電場引起的鐵磁共振 104
6.6 小結 108
參考文獻 108
第7章 鐵磁共振的動力學 109
7.1 LLG方程 110
7.2 鐵磁共振的性質 111
7.2.1 在不同交變場頻率下磁矩的變化 111
7.2.2 磁矩振蕩的頻譜 113
7.2.3 鐵磁共振譜 114
7.2.4 阻尼因子的效應 115
7.2.5 內部各向異性場h1和h2的效應 115
7.2.6 磁場傾斜的效應 117
7.2.7 由自旋電流引起的自旋轉移扭力(SST)的效應 118
7.3 小結 119
參考文獻 119
第8章 自旋泵和純自旋流 120
8.1 自旋泵 121
8.1.1 基本方程 122
8.1.2 LLG方程和布洛赫方程 123
8.1.3 鐵磁單層/非鐵磁體模型 124
8.1.4 自旋流 126
8.2 自旋流的檢測 129
8.3 自旋流注入半導體 131
8.4 自旋流的應用——磁化開關 132
參考文獻 134
第9章 有限溫度的福克爾--普朗克方程處理 135
9.1 簡化的福克爾-普朗克方程 135
9.2 計算結果 142
9.2.1 本征值方程的收斂性 142
9.2.2 電流 (I/Ic-1) 的效應 143
9.2.3 內部場 Hk 的效應 144
9.3 有限溫度的宏觀自旋動力學 145
9.4 開關速度和宏觀自旋在自旋扭力下的動力學的簡單模型 147
9.5 自旋扭力放大的熱激發 149
9.6 應用 150
參考文獻 152
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