前言
电子同时具有电荷与自旋二个本征量，电荷为标量，自旋为矢量，以往，二者在不同的领域发挥重要的作用，自旋主要局域于磁性材料领域，对强耦合的自旋体系已成为重要的磁有序材料，其中含铁磁、亚铁磁、反铁磁以及自旋螺旋有序材料，而电荷却活跃在电工、电子等众多领域。溯源上千年，人类已对磁与电有所感性认识，纵观人类社会的发展史，19世纪人类在对电流、磁场及其互作用的科学研究基础上，成功地制造了电动机、发动机、电灯、电话等电器，形成了电工学，从而在美国、欧州首先产生了第二次产业革命，使人类进入到电气化时代，从物理的观点看来，19世纪是人类开始按照科学的规律用电场调控电子电荷流的新纪元，20世纪是人类利用量子力学，能带理论在半导体中调控电荷运动，形成了微电子学的新学科，制造出二极管到超大规模集成电路的IC芯片，从而开创了第三次产业革命，使人类进入到信息化时代。电工学与电子学以及微电子学主要研究电子电荷的输运性质，都未涉及到电子具有自旋的特性，第二次、三次产业革命是以电场调控电荷为主，但在应用中都离不开磁性材料，如在电动机、发电机中离不开硅钢片磁性材料，在计算机中关键部件是芯片与利用磁性材料进行信息存储的硬盘，从这个角度考虑自旋在产业革命中也是直接发挥了重要的作用，只是人们不甚了解它的重要性而已，但自旋在输运过程中确实尚未发挥作用。
既然电子同时具有电荷与自旋，为什么在电工学与电子学以及微电子学中均不考虑自旋呢？原因是电工学与电子学以及微电子学所研究的对象均为宏观尺度，电子在固体中运动时必然受到晶格的散射，电荷为标量，其特性不变，而自旋是矢量，在散射过程中将会改变其自旋取向，在电子输运过程中，自旋保持其方向不变所经过的平均路程称为自旋扩散长度，超过自旋扩散长度时，自旋将会反向，通常电子在磁性材料中的自旋扩散长度约为10-100nm，在半导体中约为1-10微米，传统电工学与电子学所研究对象的长度，通常远超过自旋扩散长度，因此，自旋在输运过程中将翻转多次，统计平均的结果矢量和为零，将显示不出自旋的存在，因此在传统的电工学与电子学中可忽略电子具有自旋这一特性。然而，当我们研究的对象其尺寸与自旋扩散长度相当或更小时，如在纳米尺度的体系中，自旋的特性将会显示出来。20世纪80年代，法国Albert Fert与德国Peter Grünberg二位科学家所做的工作充分证明了这一点，他们研究了（Fe/Cr/Fe）n纳米多层膜的层间交换耦合作用以及输运性质，发现了巨磁电阻效应，该效应表明自旋取向将会影响电子的输运过程，呈现出电阻的改变，从而开创了磁电子学（magnetoelectronics）的新学科，鉴于其研究的重要的基础意义与巨大的应用领域，这二位科学家获得2007年度的物理学诺贝尔奖，评奖委员会宣称“该效应的发现打开了一扇通向技术新世界的大门，开启了科学研究的新纪元”。自然人们会联想到在半导体器件中除电场调控电荷外，如器件中的电子自旋有序极化时，也可调控自旋，从而可创造出新颖的半导体自旋器件，21世纪初，研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向，继后，又扩展到有机分子体系，这三者构成自旋电子学（Spintronics）研究的内涵。本文将简略地介绍自旋电子学及其器件产业化情况。
一、磁电子学
1988年报道了在（Fe/Cr）n多层膜中发现巨磁电阻效应（GMR）之后，引起了科学界广泛的兴趣与重视，迅速地发展成为一门新兴的学科-磁电子学，磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动，而磁电子学是利用磁场或极化电流控制载流子自旋的运动，巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性。多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用。继多层膜磁电阻效应后，颗粒膜，隧道结磁电阻效应（TMR）以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应（CMR）等相继被发现，自旋阀的多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低，才促使巨磁电阻效应走向实用。最早报道的（Fe/Cr）n纳米多层膜巨磁电阻效应见图1。
由图显见，这是纳米结构的多层膜，磁性的Fe层保持3纳米，而非磁性Cr层的厚度从1.8纳米降低到0.9纳米，随着Cr层的厚度的降低，磁电阻效应显著增大。原本科学家研究重点是二铁磁层间如插入非磁性金属层时，铁磁层间是否存在耦合？实验表明：二Fe层间隔一薄层的非磁性Cr层后，二者之间存在铁磁/反铁磁型的振荡型耦合，如图2所示，该耦合作用被认为通过传导电子的RKKY型交换耦合所导致，见图2。
图2纵坐标为交换耦合常数J，从交换能的公式Eex=-J（Si·Sj）可知，当J为正值时，相邻自旋间呈平行排列能量最低，反之，J为负值时，相邻自旋间呈反平行排列，此外，非磁性层厚度小时交换耦合作用强，随着非磁性层厚度增加，交换耦合作用由正到负呈振荡型的衰减而趋于零。将图1与图2结合在一起考虑，呈现磁电阻效应的非磁性Cr层处于反铁磁耦合厚度时，磁电阻效应就大，如何理解实验结果，通常采用Mott的二流体模型，见图3。
进入铁磁层的电子可分成自旋朝上（自旋平行于磁化强度M的方向）与自旋朝下（自旋反平行于磁化强度M的方向）二类，这二类电子在磁性层中输运时所受到的散射不一样，自旋平行于磁化强度M方向的电子散射低，电阻低，反之散射就高，电阻高，因此可以将电子通过磁性层的电阻分解为二类电子电阻的并联，如图3. 如多层膜中的磁化方向交替的改变，那么对这二类电子的电阻其值均相同，如将多层膜在膜平面内磁化到饱和，所有的各层磁化方向基本上趋向一致，由于自旋朝上的电子受的散射低，电阻小，因而二者并联的总电阻将会显著下降，从而可理解巨磁电阻效应的物理机制，设想未加磁场时层间呈反铁磁耦合，电阻高，随着磁场增强，磁化趋于饱和，总电阻下降，显示出巨磁电阻效应。因此巨磁电阻效应本质上反映的是与自旋相关的电子输运性质，这点十分重要，因为以前所有的输运性质仅仅关联于电子电荷的运动，而巨磁电阻效应表明：在合适的纳米结构中，调控自旋也可像调控电荷一样影响电子的输运性质，从而开拓出与自旋相关的新颖器件。
