最近二十年来，一些存在多序参量、多自由度关联的复杂体系越来越受到人们的关注。在这一类体系中，由于存在多重参量的耦合，使得物理内涵异常丰富，在基础研究领域吸引了众多物理学家。同时，存在多参量的体系往往具有多功能的性质，所以也倍受技术与应用领域的青睐。 本论文研究这样一类体系：存在着内部的自旋、电荷、晶格之间的耦合，这种耦合表现在宏观，则是磁化、电流、机械力之间的相互关联和转化，定义为磁机电耦合系统。我们研究的第一类系统，是具有自旋转移矩(spin-transfer　torque，以下简写为STT)效应的磁纳米系统；在该效应中，自旋极化的电流可以驱动磁化的翻转(current—induced magnetization switching)，这是一个角动量传递的过程。已经做了大量的实验与理论工作，这主要是因为直接使用电流而不是磁场改变磁矩成为可能。这在磁存储技术上有重要的意义。第二类是具有巨大的磁电耦合系数的磁电(magnetoelectric，以下简写为 ME)效应。这种材料体系中存在铁磁和铁电两相，两相之间有耦合作用。当施加磁场，可以得到电极化，施加电场可以得到磁极化。 本论文的目的是研究这两类体系，揭示它们内部的耦合作用机制，同时研究可能存在的新现象和新应用领域。本文取得的主要成果如下： 1．预言在STT效应中可能存在角动量向晶格的转化，即自旋矩带来了机械的转动效应。在畴壁纳米线系统中，分析了角动量转移的过程，发现目前的电流致磁化效率很低，只有10％，而临界电流密度很高。我们认为，造成磁化效率低的一个重要原因是传导电子角动量并没有完全转移给磁畴，而是有一部分传递给了晶格，晶格角动量对外表现为一个体转动。基于这种考虑，设计了一个纳米“杆”的模型，以自旋矩转移给晶格的部分作为外力矩加在这个杆上，然后得到它的运动方程。求解运动方程，得到转角的幅度以及本征频率，还分析了纳米线横断面的应力分布，以及在自旋矩驱动下的扭转振动模式。希望这样一个转动的效应可以用于纳米马达的器件设计。 2．在纳米柱状(nanopiliar)自旋阀结构中，电流在界面处同样存在STT效应。我们根据实验结果，以翻转层为研究对象，设计了一个薄板模型，研究该薄板在自旋力矩作用下的受力情况。发现力矩可以使薄板，也就是翻转层发生剪切的应变。力矩的大小与电流成正比。估算了最大切应力和最大扭转角度的数量级。分别是103Pa和0.01 rad。这个应力对于薄膜不算大。但是考虑到在一个自旋阀器件中，会存在高频电流的反复冲击，会使得这种应力积累和加强，从而对器件构成一个破坏力。特别当外界电流频率和薄板的本征频率相近时发生共振现象，将会使破坏最大。这是未来自旋电子器件中需要考虑的问题。分析1．和2．中的结果，我们发现，在STT效应中，磁机电耦合的核心是角动量守恒。在我们传统的电子学中，经常会忽略角动量和电子的自旋属性。STT效应表明，电子的自旋是非常重要的自由度。随着自旋电子学(spintronics)的进一步发展，自旋会扮演越来越重要的角色。 3． 针对ME体系，我们研究了层状复合结构的磁电电压输出特性。由于层状复合结构具有极高的共振输出，因而是当今最有可能产生实用价值的ME材料。目前层状结构存在的最大问题是：共振峰特别尖锐，使得能够达到大电压输出的频区非常窄。这种对频率的高灵敏性固然也有其实用价值，但是如果希望进一步将 ME器件实用化，还是需要将尖锐的共振峰展宽。我们计算了层状结构的磁电系数以及频率响应特征，可以推算材料的共振频率，或者根据需要的共振频率来剪裁材料。实验制备了四个Terfenol-D/epoxy—Pb(Zr，Ti)O3双层结构的单元片。它们的长度相近，因此共振频率也相近。将它们串联起来，则四个共振峰会发生交迭而产生共振区域展宽的效果。此外，我们还尝试了并联的连接，但是并联之后输出电压大幅度降低了。我们用等效电路解释这个现象的原因。用LCR振荡电路来等效ME耦合，研究LCR电路的串联和并联，可以很好地解释实验结果。分析发现，并联电路的电容产生分压效果，致使并联后的电压大幅降低。而串联体系在共振区域的减弱则是由于串联增加了体系的阻抗。串联结构非共振区域的ME电压输出得到显著增强，这是由于线性叠加效应。 4．尝试了其他几种结构的多层复合。研究了梯形多层结构的响应规律，发现梯形结构只能使梯形的上下表面产生自由振动，而中间层由于运动受到了阻碍而不能自由振动。此外，还制备了metglass/epoxy—PVDF的柔性可弯曲的双层结构，得到的ME 效应比理论要弱的多。主要原因是对于柔软的有机薄膜，很难找到一种好的上电极方法，使得电极既能良好导电，又能良好地传递应力。该结构还在继续摸索中。所以，我们看到，ME　效应中的磁机电耦合的核心在于应力的传递。应力的传递质量直接决定ME耦合效应的好坏。我们利用偏磁场的低场灵敏性可以探测微弱直流磁信号；而我们又发展了串联以展宽共振区域的方法测量宽频域的微弱交流信号。因此，应用ME效应作为探测小磁场信号传感器的条件已经成熟了。