低维自旋电子学课程建设的探索与实践

本文总结了中国矿业大学应用物理专业低维自旋电子学课程建设实践过程中的一些认识和体会，为推动微电子方向课程教学和应用物理复合人才培养提供可靠保障。

1 低维自旋电子学

电子具有电荷和自旋两个重要的内禀属性，传统微电子器件仅利用了电子的电荷自由度进行信息的传输与操控。随着微电子制造技术的不断进步，电子元件的特征尺寸不断减小，同时量子效应导致的泄漏电流和集成度太高导致的热耗散问题制约着传统电子学的发展。人们尝试利用自旋自由度取代或结合传统电子器件中的电荷自由度，从而实现新型自旋电子器件。自旋电子学(Spintronics)是基于电子的自旋、轨道和电荷自由度，研究电子自旋相关输运性质以及自旋与力、热、电、磁、光、声等物理场之间相互作用的新兴交叉学科。与电荷自由度相比，自旋自由度具有相干时间长、特征能量小、携带信息量大等显著优点。自旋电子器件相比传统的微电子器件具有更快的数据处理速度、更高的存储密度、更低的功率损耗以及数据不易丢失等优势。

近年来，二维磁性材料及范德瓦尔斯磁性异质结的兴起为新型低维自旋电子器件发展提供了良好机遇。低维磁性材料由于空间维度降低，电子的电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间的关联与耦合被局域加强，自旋量子态对应力场、电场、磁场、光场和温度场等外场的响应更加显著，有助于实现多样化的高灵敏度量子特性调控。既有助于揭示新奇的界面效应、尺寸效应、维度效应和拓扑效应等量子效应的物理本质，促进低维自旋电子学的发展；又有助于制备新型的磁性功能材料和获得可行的量子调控途径。具有本征磁性的二维晶体在传感和数据存储方面有着很大的应用前景，通过控制二维磁性可以促进原子层厚的柔性磁光和电磁器件(如磁阻存储器和自旋场效应晶体管)的实际应用。然而，目前微电子学所涵盖的微电子器件主要利用的是电子的电荷自由度，低维自旋电子学这一新兴方向仍未出现在微电子方向的课程体系中。本文将总结中国矿业大学应用物理学专业低维自旋电子学课程建设实践过程中的一些认识和体会。

2 国内外及校内现状

应用物理专业以物理学的基本规律和实验方法为基础，研究物理学在各个领域中的具体应用，是物理学和科学技术之间的媒介和桥梁。物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的自然科学，它的基本原理渗透于自然科学的各个领域，广泛应用于生产技术的各个方面，是相关应用技术领域的基础和源泉。微电子学是在物理学发展和突破的基础上建立起来的，微电子技术的每一步发展都是以物理学研究成果为基础的；同时微电子技术的发展推动和促进了物理学的研究和发展，为物理学的研究提供了崭新的技术基础和更为广阔的空间。物理学基础知识是学习《低维自旋电子学》课程的重要基础，目前国内外高等学校主要在电子信息类或电气类专业开设《自旋电子学》或类似课程。《低维自旋电子学》主要讲述自旋电子学研究领域中的各个重要研究方向及其进展，重点关注低维自旋电子学的关键材料探索、物理效应研究及其原理型器件的设计开发和实际应用。凭借坚实的物理理论基础的优势研究新型自旋电子器件是中国矿业大学材料与物理学院应用物理学专业加强理论联系实际，提高学生应用能力，增强学生就业创业能力的一次探索。

中国矿业大学应用物理学专业(江苏省特色专业)主要以微电子学、智能传感与测试和新能源技术与应用为专业方向。通过本课程的学习能使学生了解自旋电子学的基础知识，包括铁磁、反铁磁性、磁阻等。熟悉自旋电子学的最近进展，包括自旋阀、自选转移力矩、热自旋电子学、拓扑自旋流、反铁磁自旋电子学等，并能初步用于学习和研究实践。由于我校缺少该课程的建设经验，在教学方法、教学内容、教材建设、与其他课程如固体物理、量子力学、热力学与统计物理和半导体物理与器件的内容衔接等教学体系建设方面都存在一些急需解决问题。

3 教学内容及教学方法的探索与实践

3.1 利用多媒体教学技术提高教学效率和质量

本课程涉及知识面广、内容多、应用性强。类似自旋极化场效应管、自旋阀、磁隧穿结、自旋电容、忆阻器等的抽象原理和模型只用语言板书很难讲解清楚，学生往往难以理解。在低维自旋电子学教学过程中可以借助多媒体图像、视频、音频、动画等元素反映自旋电子器件结构以及抽象物理过程与原理，将抽象的物理概念与物理模型具体化、形象化，将枯燥内容生动化、有趣化，弥补传统课堂教学的不足，让学生有感性的认识，提高教学效果。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0306/498.html