金属的铁磁性与自旋电子学
摘 要： 本文定性的说明了物质磁性的来源，列举了物质磁性在生活中的一些应用。讨论了铁磁性的两个物理模型，即外斯“分子场”模型和海森堡交换作用模型。巨磁电阻效应的发现使得古老的磁学又重新焕发了光芒，极大的影响了科学技术的发展。在巨磁电阻效应被发现之后，自旋电子学又有了一些巨大的进展，本文梳理了自旋电子学的一些最新进展，即有关半导体自旋电子学和拓扑绝缘体方面的新发现。
关键词： 磁性；材料；自旋电子学；巨磁电阻效应；量子；拓扑
- 物质的磁性及电子的自旋
磁性就是物质放在不均匀磁场中会受到磁力的作用[1]。在生活中我们观察到铁块会被磁铁吸引，而木块却不会被吸引。所以从直观上来看铁块受到了磁力的作用，但是木块却没有。然而在实验中我们观测到，木块上是受到磁力作用的，只是因为太过微弱而导致直观上不明显而已。事实上，所有物质都具有磁性，只是有强弱的分别而已。所以磁性是物质的基本属性之一[2]。对于两个相距为(m)，强度为(Wb)和(Wb)的两个磁极，相互之间的作用力(N)为：
其中=为真空磁导率。
两个磁铁之间的吸引和排斥是物质磁性最直观的表现。磁铁中受到引力或者排斥力最大的区域称为磁铁的极，简称磁极。迄今为止，所发现的磁铁都有两个极，无一例外。
电子自旋（spin）的概念首先由Uhlenbeck和Goudsmit提出。他们假定电子围绕原子核旋转就像地球围绕太阳旋转一样会有自旋，其中自旋角动量为。后来Stern-Gerlach在实验中观察到一束轨道磁矩为零的银原子垂直穿入非均匀的磁场中后将分成两束，在观测屏上观测到两条亮线[3]。按照经典电动力学的理论，一束电子穿过磁场将会受到洛伦兹力的作用，其运动方向理应朝一边偏转最后在观测屏上呈现连续分布的一条亮线才对。在这里理论和实验发生了矛盾，一般来说如果实验是精确、定量、可重复的，那么实验就是正确的，理论就需要修正了。从这个实验可以得出电子还应该具有与轨道角动量无关的角动量，它标志着发现了电子的一个新的内禀自由度，称为自旋。
在1928年，英国理论物理学家狄拉克首先从著名的狄拉克方程导出了电子不仅具有电荷，还应该具有自旋这一结论。这是首次在理论上圆满地证明了电子具有自旋这一内禀属性。假如给定一个参考轴，则电子的自旋可以分为两类，即自旋向上和自旋向下[4]。
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