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传统的信息技术升级的空间越来越小， 其发展遇到了前所未有的新挑战。自旋电子学，
一门新兴学科，为突破这个技术瓶颈带来了一条新的探索道路。与传统的电子电荷输
运相比，基于电子自旋的器件不仅可以实现高速化，而且耗散更小，这为实现高集成
度、低耗能的电子设备奠定了技术基础，也将显著地促进信息技术新时代的发展。
1．1 自旋电子学
1.1.1 自旋电子学的兴起
电子具有两种属性：电荷和自旋。长期以来，凝聚态物理一直聚焦于电子的电荷
属性，以理解电子的大多数行为。在基于电荷的主流电子器件中，电子的自旋也总是
被忽略[1]
。但是，物质的磁性起源于电子的另外一个属性：自旋。随着现代社会对磁
介质高密度存储与读取技术的要求不断提高，电子的自旋属性不断被认知，自旋电子
学（Spintronics）逐渐发展为一门备受瞩目的新兴学科[2]
。
自旋电子学最早可追溯至 1988 年由法国科学家 Fert 和德国科学家 Grünberg 分
别独立发现的巨磁电阻（Giant Magnetoresistance, GMR）[3,4]
：在铁磁层与非磁性层
交替的薄膜结构中，当铁磁层磁矩平行排列时，材料电阻最小；当铁磁层磁矩反平行
排列时，材料电阻最大。通过改变外磁场，使铁磁层磁矩排列方式发生变化，可以获
得两种不同的电阻状态（如图 1.1 所示） 。通过高低阻态的变化，来存储与读取数据。 1.1.2 自旋电子学的发展与意义
巨磁电阻的发现，将国际上越来越多研究者的注意力吸引到自旋电子学的研究
上。过去的二十多年里，自旋电子学得到了快速的发展，成果也相当丰富。其部分代
表性的研究进展如以下所述：
一、自旋阀与磁隧道结
1991 年，在 GMR 的基础上，发展了自旋阀结构（Spin Valve, SV），即通过反铁
磁层来钉扎一侧的铁磁层，使之对适当大小的磁场不敏感，从而可以获得相对较大的
磁阻变化率[5,6]
。1995 年，J.S.Moodera 等[7,8]
通过插入很薄的绝缘层，将钉扎层和自
由层分开，开发出磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）。隧穿电阻受磁场的
作用与自旋阀类似，呈现出20%-40%的电阻变化率（如图1.2 所示）。GMR 和 MTJ 在商
业上的应用十分广泛。比较重要的应用有：磁场传感器、硬盘读头、电流隔离器以及
磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory, MRAM）。 二、自旋转移矩效应
1996 年，J.Slonczewski 和 L.Berger 在理论上预言了自旋转移矩效应
（Spin-Transfer Torque, STT）[9,10]
。即当自旋极化电流通过磁性材料时，电流中的
自旋电子会对费米面附近电子产生影响，使磁性薄膜磁化矢量发生改变。这一发现被
认为是继GMR 之后自旋电子学领域的又一重要发现，使直接利用电流操控磁性材料的
磁矩成为可能。M.D.Stiles 等[11]
认为自旋转移矩效应之所以发生在磁异质结中，是因
为从非磁性体到铁磁体的自旋流的横向分量在界面处被吸收。并通过自由电子模型和
第一性原理，对真实材料中三种不同的吸收机制进行了分析。
近几年来, 自旋转移矩效应引起了人们越来越多的关注。J.C.Sankey 等[12]
利用
STT 开发了电激发磁存储器和纳米级别的微波振荡器。而基于 STT 转换的磁隧道结更是吸引了大量开发者对STT 转换磁随机存储器的兴趣（STT-MRAM）[13]
。STT 这种效应，
正推动着新一代电流驱动磁性存储和逻辑器件的发展。
三、电控磁效应
磁性材料一旦被准备或者投入使用，很难改变其磁学性能。尽管在信息技术中，