应变作用下EuTiO3材料磁性的格林函数理论研究

基于自旋波和格林函数理论,研究了低温下二维应变诱导的EuTiO3在铁电四方相下的磁性性质,主要讨论了在铁电四方相下Eu离子在铁磁性和反铁磁性有序时系统沿不同高对称性方向的自旋波散射和磁化。我们发现施加外加应变不仅可改变晶格结构的对称性,还可以通过改变电子自旋之间的交换耦合作用,进而改变该材料的磁性散射和磁化等。     

量子顺电EuTiO_3材料基态磁性的第一性原理研究

EuTiO_3是钙钛矿结构的量子顺电体,实验发现其基态具有平面各向异性G类反铁磁结构,本文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了EuTiO_3处于量子顺电相和应力作用下处于铁电四方相时可能的自旋取向和自旋交换耦合作用,分析了自旋耦合作用的路径,探讨了应力对磁性交换路径的作用,结果发现:当体系自由时,EuTiO_3具有自旋沿[110]方向平面内单轴各向异性的G类反铁磁结构,该结构下Eu离子4f电子自旋通过处于面心位置的O 2p实现自旋反铁磁性的超交换耦合,而在外加应力诱导的铁电四方结构下,由于自旋交换路径中Eu—O—Eu键角改变,Eu 4f电子自旋实现了[110]方向的铁磁交换耦合。     

金属多层膜与超晶格中的自旋波及布里渊散射研究

评述了近年来迅速发展的金属多层膜与超晶格中的磁性激发理论和实验。着重于借助 布里渊散射在双层、多层膜中新发现的自旋波模式。首先介绍了磁性介质中自旋波模式的 一般理论,比较了观测自旋波的实验方法,然后,对单层、双层、多层膜中的理论结果作 一总结,并与实验进行了比较,最后讨论了一种新的磁性超晶格——反平行磁化超晶格中 的自旋波。     

金属多层膜与超晶格中的自旋波及布里渊散射研究

评述了近年来迅速发展的金属多层膜与超晶格中的磁性激发理论和实验。着重于借助 布里渊散射在双层、多层膜中新发现的自旋波模式。首先介绍了磁性介质中自旋波模式的 一般理论,比较了观测自旋波的实验方法,然后,对单层、双层、多层膜中的理论结果作 一总结,并与实验进行了比较,最后讨论了一种新的磁性超晶格——反平行磁化超晶格中 的自旋波。     

铁磁非铁磁夹层中电子自旋波的传输及应用

建立了有限对一维铁磁性和非磁性层交错组成的周期系统, 应用布洛赫自旋波量子理论, 研究了该系统的基本性质及电子波函数散射特征对交错层数量依赖的关系. 研究发现: 在系统中电子波函数可表示为无限周期系统中转换矩阵特征向量的叠加或类布洛赫函数, 解此函数可得到任意层数系统的单色波散射的精确解. 在此基础上, 导出了电子波函数在周期系统中反射系数和透射系数对能量的依赖关系. 对光谱窗口的计算发现其势能和宽度几乎与全反射区域一样. 该系统由于高能量的传输和在电子自旋方向上对交换能的依赖而可能用于自旋滤波器. 关键词： 磁性多层膜 铁磁性和非磁性结构 电子散射 电子自旋滤波器     

铁电材料中的极性拓扑结构

调控磁性材料中的自旋拓扑结构(流量闭合型、涡旋、半子(meron)、斯格明子(skyrmion)等自旋组态)可以改进材料的磁性和电磁性能,因而引起了学术界的广泛关注.最近研究表明,在尺寸效应、界面耦合及其相互作用、外延应变等作用下,铁电材料中也会出现自发的极性拓扑畴结构,同时表现出新的铁电相结构和丰富的物理性能.本文总结了铁电纳米结构、铁电薄膜和铁电超晶格中的极性拓扑畴结构类型及其形成机理,分析了这些极性拓扑结构与铁电、压电、介电、光电性能之间的关联,并分别讨论了铁电材料中极性拓扑结构的整体拓扑相变调控和单个极性拓扑结构的外场调控,最后展望了极性拓扑结构未来的可能研究方向.     

Co/Ti金属磁性多层膜的激光布里渊散射研究(英文)

在室温下利用直流磁控溅射法制备出了具有不同Co层厚度的 [Co(dConm) /Ti(dTinm) ]n 金属磁性多层膜 (其中dCoanddTi是Co和Ti的厚度 ,n薄膜调制周期数 )。在 30 0K下用X射线衍射法 (XRD)和布里渊散射方法研究了Co层厚度分别为dCo=1 ,2 ,2 5 ,3 5nm ,Ti层厚度为dTi=2 5nm的Co/Ti多层膜。XRD的结果所示在Co/Ti多层膜中Co层厚度超过 2 5nm ,其结构类似块材Co的多晶结构。对比之下 ,Co/Ti多层膜中Co层厚度低于 2 5nm ,其XRD衍射峰随Co层厚度减少变的峰形加宽 ,衍射峰的强度减少 ,峰位移动和消失。在Co/Ti多层膜中自旋波的布里渊散射结果表明 :在Co/Ti多层膜中 ,对于dCo>2 5nm磁性呈铁磁性耦合 ,在dCo≤ 2 5nm时 ,其呈反铁磁性耦合。除表面自旋波外 ,在呈反铁磁性耦合的材料中观测到了两个有体特征的自旋波 ,而在呈铁磁耦合的材料中只观测到一个有体特征的自旋波。     

应变作用下量子顺电材料EuTiO3的磁电性质

由于磁性和介电性质的强烈耦合, 量子顺电材料EuTiO₃材料的研究近来倍受人们的关注. 本文通过运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了量子顺电(PE) 材料EuTiO₃的磁性和电子结构, 分析了应变对磁性和结构相变的作用, 从而探讨了该材料中可能的磁电耦合机理. 结果发现, 在无应变状态下, EuTiO₃处于顺电立方-G型反铁磁性态, 而对于c轴方向的无论张应变还是压应变, 当应变增加到一定程度时, 由于Ti 3d空轨道与周围O 2p 电子的杂化平衡被打破, EuTiO₃将相变到铁电( FE) 四方-铁磁结构, 显示了强烈的自旋-晶格耦合效应.     

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.7)Ti_(0.3)O_3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.     

中子散射技术在功能性材料中的应用

中子散射技术能够有效探测物质微观尺度的特性,尤其是在磁性探测方面具有独特的优势,因而在科学研究方面应用越来越广泛。文章结合作者的研究领域,介绍了中子散射技术在研究一些功能性材料中的应用及成果。包括铁电材料BiFeO3中自旋,声子的激发谱,热电材料PeTe中声子特殊的动态行为,以及磁性材料Mn1-xCoxV2O4中自旋波的特性,并分析了材料中自旋、电子、晶格、轨道的相互耦合作用。     

外场作用下铁电/铁磁双层膜的极化磁化性质

建立了铁电/铁磁双层膜模型,铁电层的电矩用连续标量描述,而铁磁层的自旋应用经典矢量描述.利用蒙特卡罗方法模拟了体系的热力学性质和极化、磁化行为.给出了零场下体系的内能、比热、极化和磁化随温度变化的关系,并分别研究了体系在外磁场和外电场下的极化和磁化行为.模拟结果表明,双层膜体系的内能、比热、极化和磁化性质因层间耦合系数的不同而明显不同,当界面耦合较弱时,双层膜表现出各自的热力学性质,当层间耦合增强到一定程度时,双层膜耦合为一个整体,表现出统一的热力学性质.该双层膜在外场中形成电滞回线和磁滞回线,并表现出偏置特性,界面耦合强度和温度影响滞后回线和偏置现象.     

Two-dimensional magnetic ordering in a multilayer structure

The effect of confinement from one, two or from all three directions on magnetic ordering has remained an active field of research for almost 100 years. The role of dipolar interactions and anistropy are important to obtain, the otherwise forbidden, ferromagnetic ordering at finite temperature for ions arranged in two-dimensional (2D) arrays (monlayers). We have demonstrated that conventional low-temperature magnetometry and polarized neutron scattering measurements can be performed to study short-range ferromagnetic ordering of in-plane spins in 2D systems using a multilayer stack of non-interacting monolayers of gadolinium ions formed by Langmuir-Blodgett (LB) technique. The spontaneous magnetization could not be detected in the heterogeneous magnetic phase observed here and the saturation value of the net magnetization was found to depend on the sample temperature and applied magnetic field. The net magnetization rises exponentially with lowering temperature and then reaches saturation following a T ln(βT) dependence. The T ln (βT) dependence of magnetization has been predicted from spinwave theory of 2D in-plane spin system with ferromagnetic interaction. The experimental findings reported here could be explained by extending this theory to a temperature domain of βT<1.     

Magnetic properties of charged spin-1 Bose gases with ferromagnetic coupling

The magnetic properties of a charged spin-1 Bose gas with ferromagnetic interactions are investigated within mean-field theory. It is shown that a competition between paramagnetism, diamagnetism and ferromagnetism exists in this system. It is shown that diamagnetism, being concerned with spontaneous magnetization, cannot exceed ferromagnetism in a very weak magnetic field. The critical value of reduced ferromagnetic coupling of the paramagnetic phase to ferromagnetic phase transition [Formula: see text] increases with increasing temperature. The Landé-factor g is introduced to describe the strength of the paramagnetic effect which comes from the spin degree of freedom. The magnetization density [Formula: see text] increases monotonically with g for fixed reduced ferromagnetic coupling [Formula: see text] as [Formula: see text]. In a weak magnetic field, ferromagnetism makes an immense contribution to the magnetization density. On the other hand, at a high magnetic field, the diamagnetism tends to saturate. Evidence for condensation can be seen in the magnetization density at a weak magnetic field.     

1-3型纳米多铁复合薄膜中电场诱导的磁化研究

运用Landau-Devonshire热力学唯像理论,考虑铁电相和铁磁相的电致伸缩、磁致伸缩效应以及产生于铁电/铁磁和薄膜/基底界面的弹性应力作用,两次重整介电和磁作用系数得到了这种多铁系统在Landau自由能函数下的本征二次方磁电耦合形式,从而研究了外延1-3型纳米多铁复合薄膜中极化、磁化随薄膜厚度、温度的变化以及该薄膜中外加电场诱导的磁化变化.结果表明薄膜平面内的应压力的弛豫使得磁化强度和极化强度随薄膜厚度的增加而减少,外加电场不仅能诱导铁电相极化场翻转,而且由于铁电和铁磁相界面竖直方向的弹性耦合导致 关键词： 多铁 磁电效应 磁致伸缩 薄膜     

双轴应变调控二维单层C2X2TM（X = O, H; TM=Fe, Cr） 的多铁性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子插层的单层氧化/氢化石墨烯的磁学性质和铁电性质.在考虑了电子在位库仑作用和自旋轨道耦合作用下,得到了过渡金属Fe、Cr插层形成的C₂X₂TM二维单层膜的稳定结构以及基态磁性结构,研究了不同应变作用下C₂X₂TM的磁性、能带、铁电极化以及电子结构的变化.结果发现,对于任何应变下的C₂X₂TM其基态磁性都为手性逆时针反铁磁结构.在无应变时体系存在一个较大的离子翻转势垒,通过外加双轴应变,可有效调控体系的势垒高度和能隙,发现25%应变下C₂O₂Cr和30%应变时C₂O₂Fe单层薄膜具有与GeS等二维铁电材料相近的铁电极化和翻转势垒,这些研究结果表明C₂O₂Fe(Cr)单层薄膜是一种新型二维多铁性材料.     

激发态电荷转移有机体的多铁性研究

随着人们对多铁性的深入了解,越来越多不同类型的有机多铁材料被合成出来.激发态电荷转移有机体的电荷转移网络是由一个提供电子的分子(给体donor,D~+)和一个接受电子的分子(受体acceptor,A~-)有序排列后构成的.D~+A~-长程有序排列,其激发态(激子)具有较长寿命和±1/2自旋,这是产生室温铁电性和铁磁性的根本原因.激发态容易受外场刺激,因此光照、磁场、电场、应力等能够很好地调控这类材料的铁电极化、磁矩和相应的磁电耦合系数.激发态电荷转移有机体不仅大大丰富了室温多铁材料体系,而且可以为开发新型多功能电子器件提供材料基础和技术储备.     

四方相多铁BiMnO_3电控磁性的理论研究

钙钛矿结构BiMnO_3作为同时具有铁电性与铁磁性的多铁材料,在人工神经网络方面可以作为一种潜在的人工突触材料,从而设计出新型多铁人工突触器件.本文使用第一性原理计算的方法,分别研究了四方相BiMnO_3在xy面内施加0.18%与4%应力条件下的铁电情况,以及Mn原子磁矩随着铁电极化强度变化的曲线.结果表明,在四方相多铁BiMnO_3中,Mn原子磁矩会随着极化强度的增强而增大,表示其铁磁性可以在一定程度上由其铁电极化来进行调控,并且应力越大,其磁矩变化范围就越大.这一结果使得多铁BiMnO_3在人工突触器件设计方面拥有潜在的应用价值,多铁性使其在作为人工突触器件材料中具有更多可调控的自由度,从而可用于模拟多突触连接.这可为将来构造类脑芯片打下一定的理论基础.     

Formation of phase domain structures in thin films under conditions of a first-order magnetic phase transition

This paper reports on the results of a theoretical investigation into the magnetic and resonance properties of thin films in the range of the transition from a paramagnetic state to a ferromagnetic state in the case where the magnetic transition is a first-order phase transformation. It is demonstrated that, in an external magnetic field directed perpendicular to the film plane, the formation of a specific domain structure consisting of domains of the coexisting paramagnetic and ferromagnetic phases can appear to be energetically favorable. The parameters of the equilibrium system of stripe phase domains and their dependences on the temperature, the magnetic field, and the characteristics of the material are calculated. The specific features of the magnetic resonance spectra under the conditions of formed stripe phase domains are considered. A relationship is derived for the dependence of the resonance field of the system of ferromagnetic domains on the magnetization and temperature. It is shown that the alternating external field can fulfill an orientation function in the formation of stripe phase domains.