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图一：磁存储材料的三种磁各项异性状态，YES表示存储单元在室温下有一致的自旋方向，可以作为信息存储材料，No表示其自旋方向在室温下随意分布，不适合做信息存储材料。
随着磁信息储存材料的微型化和高密度化的发展，寻找具有更高磁各向异性能(Magnetic Anisotropy Energy, 简称MAE)的材料，降低基本信息储存单元尺寸成为了一种必然的趋势。
1.2 磁各向异性
磁各向异性即相对于物体中一个给定的参考系，在不同方向上物体具有不同磁性的现象。磁各向异性对磁性合金的技术磁化特性(如磁导率、矫顽力等)有很大影响，因而是重要的基本磁性之一。磁各向异性的产生是由于原子或离子的磁矩直接或间接地与晶格相耦合引起的，它与构成磁性物体的磁离子的电子状态密切关联。铁磁性物体的内能随其自发磁化方向的改变而变化。一个无应力的球形铁磁体沿某一方向由磁中性状态磁化到饱和时，单位体积所需要的能量称该方向的磁各向异性能。当无外磁场时，自发磁化指向内能最低的方向，即磁各向异性能最低的方向，称易磁化方向(轴)。磁各向异性能最高的方向称难磁化方向(轴)。通常将难磁化轴与易磁化轴的能量差值定为该难磁化轴的磁各向异性能。
磁各向异性主要包括磁晶各向异性、应力磁各向异性、形状磁各向异性、感生磁各向异性和交换磁各向异性。本课题所研究的 中的磁各向异性属于磁晶各向异性。
磁晶各向异性，指磁性单晶体，由于晶体结构上的各向异性所产生的磁各向异性，又称晶体磁各向异性。在晶体中，原子或离子的有规则排列，造成空间周期变化的不均匀静电场，它对原子中电子的运动产生很大影响。晶体中原子磁矩主要来自它的电子自旋的总磁矩，电子的自旋与电子的轨道运动是耦合着的，而邻近原子的电子轨道之间还有交换相互作用，这些运动随原子磁矩在晶格中取向不同而有很大差别，这就是产生磁晶各向异性的原因。通常用磁晶各向异性常数K表示磁性体磁各向异性的强弱，它与磁性体难磁化轴的磁各向异性能成正比，磁晶各向异性能可用数学式表述出来。例如对立方晶系，磁晶各向异性能为：
式中 和 为磁晶各向异性常数； 表示饱和磁化强度相对于三个立方轴的方向余弦。
磁晶各向异性能的微观机制主要有以下几种：一、磁偶极相互作用。经典的磁偶极作用只对非立方晶体能引起各向异性。但常常不是主要的贡献。二、各向异性交换作用。来自轨道－自旋作用对交换作用的影响。存在于某些稀土离子及低对称化合物中。三、单离子各向异性。为晶体电场和轨道－自旋作用的联合效应。它使单个离子的能级呈现各向异性。对铁氧体和一些稀土离子，它的贡献是主要的。四、巡游电子各向异性。来自轨道－自旋作用对能带的影响。适用于3d金属及合金。
在目前自旋电子学的研究中，一个重要的方向就是关于磁各向异性能的研究。作为磁信息存储材料，常规的要求是其磁矩方向不能随意反转导致磁信号的流失。如图一所示，只有存储材料的自旋方向在室温下能够保持在某个方向，才能够稳定地存储外界给予磁存储材料的信号，也就是我们要储存的信息。如果因为热力学的原因，导致自旋的随意分布，储存的信息将会丢失。因此国际上通常认为一个磁存储单元或者一个磁粒子，其总的磁各项异性能必须超过40KT(K为玻尔兹曼常数，T为温度)[1]。因此，在选择磁信息存储材料时，要求其具有足够大MAE。例如在常规的铁磁金属元素Fe, Co, Ni和Gd中，Co金属具有最高的MAE，大约为每个原子0.06meV，若在室温下作为存储材料，每个信息存储单位的尺寸不能少于40K * 300 K/0.06meV ≈ 15000 个Co原子。事实上，目前利用Co金属做成的磁信息存储材料的基本单元尺寸在8nm左右，大约包含50000个原子。通常来说，1 bit的信息至少需要几十个基本存储单元[2]。
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