金属铁磁性理论—其发展和现状

在对金属磁性理论的历史背景作了简短的回顾以后,本文概要地综述了在此领域中基于非常普遍的自旋涨落概念的磁性统一图象的新近进展。人们熟知的局域矩图象是普遍自旋涨落理论的一个极限形式,而其相反的极限则为弱铁磁金属。这里,主导的是自旋涨落的长波模式。后者的理论是在最近廿年内建立的。许多铁磁金属,包括铁和镍,被认为是处于这两个极限的中间情况。最近的研究集中在发展一个内插于这两个相互对立的极限中间的统一理论。对现状及今后的问题进行了讨论。     

暂态磁性

利用超快脉冲技术研究铁磁金属的暂态磁性与自旋动力学是国际上最近开展起来的磁学研究新领域．文章简单介绍了这一研究领域的基本概念、实验方法和研究进展     

金属-氧化物界面在磁隧道结中的作用

磁隧道结通常是指由两层磁性金属和它们所夹的一层氧化物绝缘层 (Ⅰ )所组成的三明治结构 .通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的 ,这种自旋极化能够反映作为电极的铁磁金属费米能级处态密度 (ＤＯＳ)的变化 .起源于自旋极化的隧道磁阻(ＴＭＲ)效应已成为当代磁学的一个研究热点 .尽管目前在ＴＭＲ的研究和应用方面已有所发展 ,但在理解隧穿自旋极化方面还存在一定的分歧 ,争论的焦点是金属 -氧化物界面对自旋极化的影响 .对于Ｃｏ、Ｎｉ等铁磁金属 ,由于多数自旋电子所处的ｄ带位于费米能级之下 ,理论预期其自旋极化应该是负的 .然而Ｆ/Ａ…     

掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三角形BN片掺杂的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的磁电子学特性.研究表明:当处于无磁态时,不同位置掺杂的ZGNR都为金属;当处于铁磁态时,随着杂质位置由纳米带的一边移向另一边时,依次可以实现自旋金属-自旋半金属-自旋半导体的变化过程,且只要不在纳米带的边缘掺杂,掺杂的ZGNR就为自旋半金属;当处于反铁磁态时,在中间区域掺杂的ZGNR都为自旋金属,而在两边缘掺杂的ZGNR没有反铁磁态.掺杂ZGNR的结构稳定,在中间区域掺杂时反铁磁态是基态,而在边缘掺杂时铁磁态为基态.研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件具有重要意义.     

高温超导体中反铁磁自旋涨落对其自旋磁化率效应

本提出温超导体中存在反铁磁自旋涨落对其自旋磁化率效应，研究指出高温超导体中反铁磁自旋涨落对其自旋磁化率的效应引起自旋磁化率随温度单调变化。     

新几何阻挫物质M_2(OH)_3X的新颖量子磁性———磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2(OH)3X[M=Cu,Co,Ni,Mn,Fe etc.;X=Cl,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。     

新几何阻挫物质M2(OH)3X的新颖量子磁性——磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2（OH）3X[M==Cu,Co,Ni,Mn,Feetc．;X=C1,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。     

侧向铁磁/铁磁超晶格的推迟模式

用等效介质理论计算了半无限侧向铁磁/铁磁超晶格的推迟模式.且以Co/Ni体系超晶格为例具体计算了该超晶格的表面模式和体模式,展示出一些与磁性/非磁性超晶格不同的有趣性质.侧向磁性/磁性超晶格具有较复杂的推迟模式,这是一种具有高度一般性的体系,在改变构成超晶格的两种铁磁层的厚度的比值、外场时,可以调节两支表面模式的频率以及体模式的频带,这种调节作用是与两种铁磁层的饱和磁化值有关的.当饱和磁化值相差较大时,调制效果是很明显的.当第二种铁磁介质饱和磁化值趋于零时,该体系演变成熟知的磁性/非磁性超晶格.当取麦克斯 关键词： 铁磁/铁磁超晶格 推迟模式 等效介质理论 自旋波谱     

磁性隧道结自旋极化电子的隧穿特性

铁磁金属间通过中间层的自旋极化电子隧穿产生的磁性耦合,在自旋电子器件中有许多潜在的应用.考虑由一平面磁性势垒层隔开的两铁磁性金属电极构成的磁性隧道结,针对中间层形成的矩形势垒,在近自由电子模型的基础上,计算零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,分析势垒层特性、分子场强弱、分子场相对取向等对隧道结自旋极化电子隧穿特性的影响.计算结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义.     

层状Heisenberg反铁磁体的自旋波理论

本用自旋波理论研究了层内自旋之间地反铁磁耦合而层间是铁磁耦合的Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ反铁磁体的低温性质。根据层间耦合作用对二自旋涨落的抑制程度，我们确定了一个反映体系层状结构特点的特征温度Ｔｏ，并由此将低温区Ｔ＜＜Ｔ１划分为两个温区，Ｔ＜＜Ｔｏ和Ｔｏ＜＜ｔ＜＜ｔ１，给出物理量在两个子温区上的渐近表达式。结果表明，，在弱的层间耦合情况下，随着温度的增加，系统的性质由三维温度行为向准二温度行为过渡。我     

铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应

在铁磁/非磁金属异质结中,界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用会诱导诸如磁性斯格明子等手性磁畴壁结构的形成.当巡游电子通过手性磁畴壁结构时,会获得一个贝里相位,而相应的贝里曲率则等效于一个外磁场,它将诱导额外的霍尔效应,即拓扑霍尔效应.拓扑霍尔效应是当前磁性斯格明子和自旋电子学研究领域的热点之一.本文由实空间贝里相位出发,简要介绍了拓扑霍尔效应的物理机制;然后着重讨论了铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应,包括磁性多层膜中和MnGa/重金属双层膜中的拓扑霍尔效应.这两种结构都可以通过改变材料的厚度、种类、生长方式等调控界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,从而有效地调控磁性斯格明子和拓扑霍尔效应.     

氮化硼纳米带功能化碳纳米管的热自旋输运性质

热自旋电子学器件结合了自旋电子学和热电子学各自的优点,对人类可持续发展具有重要作用.本文研究了锯齿形BN纳米带(ZBNRs)共价功能化碳纳米管(SWCNT)的电子结构,发现ZBNRs-B-(6,6)SWCNT为磁性半金属,nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=2—8)为磁性金属;nZBNRs-N-(6,6)SWCNT(n=1—8)为双极化铁磁半导体;4ZBNRs-B-(4,4)SWCNT和4ZBNRs-N-(4,4)SWCNT为磁性半金属,4ZBNRs-B-(m,m)SWCNT(m=5—9)为磁性金属;4ZBNRs-N-(m,m)SWCNT(m=5—9)为双极化铁磁半导体.然后,基于锯齿形BN纳米带共价功能化碳纳米管设计了新型热自旋电子学器件,发现基于ZBNRs-N-(6,6)SWCNT的器件具有热自旋过滤效应;而8ZBNRs-N-(6,6)SWCNT和nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=1,8)都存在自旋相关塞贝克效应.这些发现表明BN纳米带功能化碳纳米管在热自旋电子学器件方面具有潜在的应用.     

过渡金属掺杂氧化锌团簇的物性研究

本文采用第一性原理密度泛函理论研究了过渡金属（TM）原子Cr和Fe单掺杂和双掺杂(ZnO)12团簇的结构和磁性质。我们考虑了替代掺杂和间隙掺杂。结果表明Cr 和 Fe间隙掺杂团簇结构最稳定。团簇磁矩主要来自TM原子3d态的贡献,4s 和4p 态也贡献了一小部分磁矩。由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子上也产生少量自旋。最近邻TM原子间的磁性耦合,主要由两个TM原子之间的直接短程铁磁耦合和TM和O原子之间通过p-d杂化产生的反铁磁耦合这两种相互作用的竞争来决定。不同TM原子掺杂团簇的总磁矩与TM原子种类以及掺杂位置有关,说明在(ZnO)12团簇中掺杂不同TM原子在可调磁矩的磁性材料的领域有潜在应用价值。     

拓扑绝缘体中的自旋虹吸

传统的电子设备使用线路中运动电子的电荷来完成特定的任务。这里我们要讨论的问题与传统的电子设备的情况不同,区别在于,在电子线路中,携带信息的载体不再是电子电荷,而是电子自旋。基于电子自旋流动的器件可以提供许多潜在的新功能,当然,为了真正实现上述目标,凝聚态物理学家和材料科学家仍将面临挑战。最近,来自美国康奈尔大学的Mell-nik等在Nature上撰文,报道了他们自己在新颖材料--拓扑绝缘体中所产生的自旋流,这个自旋流对于贴近的磁性薄膜中的铁磁取向可产生相当大的影响。具体地说,自旋流对磁性薄膜中的磁矩施加力矩,就好像在拓扑绝缘体中产生的自旋积累,通过自旋虹吸作用进入到了铁磁薄膜区域。这一机制将大大改进未来信息存储和处理的能效。     

阻挫三角反铁磁AgCrO2螺旋自旋序的第一性原理研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA)和投影缀加波(PAW)方法,分别从共线和非共线磁性结构出发,研究了自旋阻挫三角反铁磁AgCrO₂的基态、磁性以及电子结构,从理论计算的角度给出了基态磁性结构.计算结果表明:AgCrO₂具有120°螺旋自旋序反铁磁基态,其自旋螺旋面平行于(110)面或(11^-0)面;由于Cr离子间的自旋几何阻挫,导致沿晶体的a,b和a+b方向上均形成了螺旋自旋转动角为120°的 关键词： 第一性原理 交换相互作用 阻挫 反铁磁     

量子自旋液体候选材料的缪子自旋弛豫研究

量子自旋液体是一种新奇的磁性物态。由于极强的量子涨落,直至零温都不会出现长程序。量子自旋液体的基态不能用序参量描述,并且缺少对称性破缺,因此该物态的实现打破朗道理论的范式。对于量子自旋液体的研究有助于理解高温超导的机理,并且可以被应用在量子计算和量子信息中。目前,尽管理论上有了长足的发展,但仍旧没有任何一个材料被证实为量子自旋液体。因此,探测和确认一个真正的量子自旋液体材料是当前的研究重点。缪子自旋弛豫是一个对磁场极为敏感的实验技术,被广泛应用于量子自旋液体候选材料的研究中。该技术可以观测基态中是否存在磁有序,测量系统中的涨落频率,这两点都是表征量子自旋液体的重要性质。本文简要介绍了量子自旋液体态和缪子自旋弛豫技术,回顾了近期在不同体系的量子自旋液体候选材料中的实验结果,特别是缪子自旋弛豫的成果。这些体系包括一维反铁磁海森堡链（苯甲酸铜）,三角格子（YbMgGaO4,NaYbO2 和TbInO3）,笼目格[ZnCu3(OH)6Cl2 和 m3Sb3Zn2O14],蜂窝状格子（Na2IrO3 和 α-RuCl3）,以及烧绿石结构（Tb2Ti2O7,Pr2Ir2O7 和Ce2Zr2O7）。     

新超导体MgCNi3的虚晶掺杂研究

用全势线性缀加平面波方法,考虑局域自旋密度近似研究虚晶掺杂MgCNi3的超导电性和磁性.计算了自旋极化能带结构、体弹性模量和它对压力的导数、原子磁矩 m 及其变化率.计算结果表明,对于电子掺杂的Mg1-xAlxCNi3(0≤x≤0.5), 超导电性和磁涨落随掺杂量的增加逐渐减小.空穴掺杂的Mg1-xNaxCNi3,在x＝0.12处出现铁磁相变,超导电性消失.在MgCNi3少量空穴掺杂区域(0≤x<0.12),表现为超导与磁涨落共存的不稳定状态.     

铁基高温超导体的超导能隙和自旋涨落:核磁共振研究

文章介绍了利用核磁共振法对铁基高温超导体的研究结果.笔者研究组断定铁基超导是自旋单态配对,并首先发现超导多能隙的存在.正常态的反铁磁自旋涨落在自旋空间是各向异性的,它与超导的关系,是人们关心的热点之一.     

铁基超导体中的反铁磁序和自旋动力学

类似于其他非常规超导材料,铁基高温超导电性通常出现在静态长程反铁磁序被抑制之后,并且强烈的自旋涨落始终与超导电性相伴相生,因此理解磁性相互作用是建立铁基超导微观机理的重要前提.中子散射作为研究凝聚态物质中磁性相互作用的有力工具,在揭示铁基超导电性的磁性起源方面起到了关键作用.本文系统总结了近十年来铁基超导材料的中子散射研究结果,包括铁基超导材料中的静态磁结构、磁性相变、动态磁激发、电子向列相等,并探讨它们与超导电性之间的关系.     

LiFeAs超导体中磁性与声子软化

运用第一性原理密度泛函理论研究了铁基超导体LiFeAs的电子结构和声子谱.计算得到的LiFeAs基态具有涨落的条型反铁磁构型.通过比较LiFeAs在非磁态与条形反铁磁态下的声子态密度,发现,LiFeAs中各向异性自旋互作用的竞争产生了不稳定的自旋密度波和部分晶格位置弛豫,导致Fe和As原子振动模式的软化,从而提高电声子耦合强度.因此,自旋-声子互作用对非常规超导电性有重要贡献. 关键词： 铁基超导体 反铁磁序 超导电性 电声子耦合