层间反对称交换耦合的前沿进展

层间反对称交换耦合,或者层间Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用,存在于以铁磁/非磁/铁磁金属异质结为单元的多层薄膜体系中.其物理来源是体系的对称性破缺、自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)以及Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)机制.层间DM相互作用的理论于20世纪90年代提出,但是由于其强度较小,直到2019年才被实验观测到人工反铁磁结构中的手性交换偏置效应所证实.近期的实验证明层间DM相互作用能帮助无外场自旋轨道转矩(spin-orbit torque,SOT)翻转垂直磁化,对于新兴自旋电子学器件设计意义重大.简要介绍层间DM相互作用的理论推导、相关实验现象、第一性原理的计算方法以及可能的应用,为今后层间DM相互作用相关的研究抛砖引玉.

邻、间、对-二甲氧基亚甲基苯及衍生物双自由基体系的自旋耦合规律

采用量子化学ab initio法对具有甲氧基的碳、氮双自由基邻、间、对二甲氧基亚甲基苯及衍生物体系基态自旋耦合规律进行研究,得到非平面共轭体系中自由基之间磁性耦合的拓朴规则:共轭体系中,两个自由基之间以偶数个碳原子耦合,则有效交换积分J_(ij)<0,体系具有低自旋基态;两个自由基之间以奇数个碳原子耦合,则J_(ij)>O,体系具有高自旅基态.自由基性质对自旋耦合的影响较大,正离子自由基间磁性耦合能力较强,这些结论为有机磁性材料的分子设计与实验合成提供了理论依据.

三氮宾分子的磁性设计

采用量子化学GAUSSIAN94abinitioUHF方法和STD－3G基组设计了一系列三氮宾分子，讨论了分子的几何结构和取代基对其磁性的影响．计算结果表明，这些分子都具有铁磁性并有高自旋基态，有效交换积分值随取代基的变化而变化．其中一种具有较低的总能量和高的有效交换积分值的分子，可期望被合成．

NiO/Co/Cu/Co/NiFe自旋阀多层膜研究

采用射频磁控溅射方法制备了一系列自旋阀多层膜。在Cu/NiFe界面处插入适当厚度的Co薄层,可增强界面处的自旋相关散射,增大自旋阀的MR值。用绝缘材料NiO作钉扎层,在大磁场中淀积了NiO/Co/Cu/Co/NiFe底自旋阀,其最大MR值达6％。

Na原子d电子系列Rydberg态的精细结构计算

计算了Na原子d电子系列Rydberg态的精细结构,获得与实验值相一致的结果。精细结构倒置的原因主要是价电子和原子实的交换作用,并发现原子实的极化作用也有较大的贡献。计算过程中,在准相对论的框架下,用自旋极化模型,考虑了原子实与价电子的相互作用,采用自洽场方法,计算了原子实和价电子的径向波函数以及能量。原子实采用自相互作用修正的Xα(SICXα)方法,价电子波函数考虑到了价电子的自旋轨道耦合作用、原子实极化作用。价电子与原子实的非定域交换作用作一级微扰求得。并修正了Numerov计算网格,在原子半径r较大的时候,网格间隔不再变化。最后。

石墨烯中量子反常霍尔效应研究进展

量子反常霍尔效应是一种存在于二维电子气中,具有无带隙的手性边缘态但体态绝缘的物理现象.不同于强磁场下量子化朗道能级引起的量子霍尔效应,量子反常霍尔效应可通过引入自旋轨道耦合相互作用以及交换场来实现.作者回顾了量子反常霍尔效应的研究进展,评述了石墨烯中的量子反常霍尔效应.通过理论模型预言在石墨烯体系中引入交换场破坏时间反演对称性,通过考虑Rashba自旋-轨道耦合,可在狄拉克点打开一个拓扑非平庸的量子反常霍尔效应体能隙,进一步分析解释其物理根源.讨论了几种实验原型,尝试通过外部操控在石墨烯中实现量子反常霍尔效应.

过渡金属自由离子的光谱参数计算

在原子光谱理论中，自旋－轨道耦合参数及Ｓｌａｔｅｒ积分是两组特别重要的参量。此文以原子理论为基础，提出了类氢波函修正模型，并针对第一组过渡金属的离子进行了参数计算，类氢波函修正模型的计算结果解决了长期以来用类氢波函计算的旋－轨耦合参数小一个量级的问题。对于此模型的合理性及它的物理基础进行了说明。

α-T_(3)晶格中量子反常霍尔效应研究

量子反常霍尔绝缘体具有与普通绝缘体一样的体带隙,但在其边缘或表面有拓扑保护的导电态。量子反常霍尔效应可以通过引入自旋轨道耦合相互作用和交换场来实现。文章重点研究了α-T_(3)晶格在两种Rashba自旋轨道耦合相互作用以及交换场的作用下,通过分析体系的相图、能带结构、边缘态和拓扑不变量,理论预测该体系为实现丰富的拓扑相提供了一个平台,包括半金属相和量子反常霍尔相。同时,该体系也是一个实现谷极化量子反常霍尔相的平台。在谷极化量子反常霍尔相中,边缘输运通道集中在单个能谷中,并且在边界上单向传播,可实现无耗散的100%的谷极化。我们的研究不仅发现了丰富的拓扑相,而且为拓扑电子学以及谷电子学应用提供了一个可行的平台。