自旋电子学材料的分类(a)以及典型自旋电子电路的示意图(b)

电子同时具有电荷与自旋两个内禀自由度，它们是物质世界各种各样的物理和化学性质的根源。例如，电子电荷在电场下的迁移产生了电导，而电子自旋在空间的有序排列则导致了磁性。应用电子的电荷自由度开创了人类的微电子时代。随着摩尔定律走向尽头，同时为了增强器件的多功能性，人们逐渐将目光转向利用电子的自旋自由度。将电子的自旋植入电子器件进行信息处理的方法即为自旋电子学。相对于传统的微电子学器件，自旋电子学器件具有一些潜在的优势，比如运算速度快、集成度高，以及能耗低等。因此，自旋电子学成为近年来物理化学领域研究的热点。

在发展高性能自旋电子学器件的过程中，至少有三个基本的科学问题必须得到很好地解决：自旋的产生和注入，自旋的长程输运，自旋的调控以及探测。这些问题的解决，一方面需要依靠器件设计与优化技术的发展，另一方面在于寻找具有特定自旋电子学性质的功能材料，例如磁性半导体材料、半金属材料等。目前，在实验和理论上已经有不少自旋电子学材料被相继提出，然而它们与实际应用还存在较大的距离，这类材料的发展之路仍然任重而道远。

由中国科学技术大学李星星博士和杨金龙教授共同撰写的综述文章“自旋电子学材料的第一性原理设计”（http://nsr.oxfordjournals.org/content/3/3/365）在《国家科学评论》2016年第3期发表。这篇论文综述了通过第一性原理计算的方法设计具有各种功能的自旋电子学材料，包括铁磁金属、半金属、拓扑绝缘体以及具有不同自旋极化特征的磁性半导体，介绍了它们各自的工作原理、优缺点和最新的发展态势。文章简单阐述了反铁磁自旋电子学的概念和发展，分析了目前自旋电子学材料应用面临的一些问题，展望了自旋电子学材料设计的未来发展方向。

杨金龙教授课题组近年来在自旋电子学材料模拟与设计方面开展了深入研究。他们提出了双极磁性半导体的概念，可以利用电场对载流子自旋进行直接的调控；提出了非对称反铁磁半导体的概念，为解决磁性半导体的磁有序温度普遍低于室温这一难题提供了新的思路。基于这些新概念和第一性原理计算，他们设计了多种自旋电子学新材料。