光磁相互作用及自旋极化的光学调控

近年来,超短激光脉冲的发展为人们在极端时间尺度上研究光与物质的相互作用提供了有 效工具。皮秒时间尺度上研究磁有序材料中的自旋动力学过程已经成为凝聚态物理研究的热点, 促进了自旋电子学的发展。本论文基于飞秒激光抽运–探测技术,介绍了半导体及其纳米结构中 光注入自旋极化及其弛豫过程;综述了铁磁性薄膜中的超快退磁,激光诱导磁阻尼进动和逆法拉 第效应; 利用太赫兹脉冲的磁场分量,研究了反铁磁晶体中自旋共振模式的激发,相干控制以 及自旋重取向的探测; 最后介绍了超快光谱用于研究多铁性材料中电子、晶格和自旋间的耦合。 了解不同材料在超快时间尺度上的磁光、光磁效应的最新进展,有助于在磁有序的超快光控制研 究领域做出原创性的工作。     

反对称Spin-1/2阻挫钻石链的基态和磁化行为研究

对含有次近邻节点自旋交换耦合的自旋-1/2伊辛-海森伯钻石链体系进行了研究,利用矩阵对角化和传递矩阵方法对基态磁相和宏观热力学量进行了严格求解,重点探讨了所有交换耦合均为反铁磁耦合时,体系节点伊辛自旋间次近邻相互作用的影响.研究结果表明次近邻节点伊辛自旋存在反铁磁耦合时会增强系统的阻挫效应,引入破坏平移对称性的经典亚铁磁相,使基态呈现出上上上下上上的自旋构型以及磁化曲线新颖的2/3磁化平台,丰富了体系的基态相图和宏观磁性行为.     

反铁磁链中Dzyaloshinskii–Moriya机制驱动矢量自旋手征束缚态的研究

Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用驱动的矢量自旋手征态,能和声子发生耦合,具备非常丰富的物理现象.本论文以一维反铁磁链中自旋手征-声子耦合模型为基础,研究不同声子环境下,耦合强度对自旋手征动力学演化过程的影响规律.结果表明,对自旋S=1/2的系统,在不同的声子浴(sub-Ohmic(0 1))中,均会在非相干到相干自旋涨落过程中产生无能隙一级相变,其来源是自旋手征束缚态的形成.相变发生的临界自旋-声子耦合强度正比于自旋涨落大小,反比于系统德拜频率.当自旋-声子耦合强度超过其临界值时,自旋手征束缚态的产生将极大地抑制非相干自旋涨落.     

可恢复相干性中心自旋模型结构设计及精确动力学

中心自旋不可避免地与周围核自旋发生相互作用,发生退相干,这也是量子信息和量子计算领域长久以来面临的严峻挑战之一。我们提出了一种可以完美且长久保持中心自旋量子位相干性的结构,该结构由一个自旋-1/2中心自旋通过XXZ型超精细相互作用耦合上一个由非均匀耦合相互作用的自旋链构成,其在中心自旋为叠加态、浴自旋为反铁磁态为初态及浴内为较强耦合的情况下,中心自旋可近似维持原有相干性,进一步去除xy方向超精细耦合,可完美保持相干性。中心自旋作量子位,将此结构应用于量子计算,或可实现无损耗量子计算。我们用浴自旋模拟环境,应用基于XX链中自旋算符矩阵元解析表示的运动方程方法,系统地研究了环境对于中心自旋退相干动力学的影响,着重研究了浴自旋间非均匀耦合影响下的中心自旋相干因子的动力学特性。在从最小到最大调控浴自旋间非均匀耦合过程中,中心自旋相干动力学大致呈现出了六个阶段,展现了丰富的量子动力学特性,并为日后研究中心自旋动力学提供了两个重要参考标志：相干因子的长时平均值的极值可以作为区分不同相的标志;相干因子长时演化的平衡可以作为竞争平衡中耦合关系对等或之间的倍数关系的标志。     

有限铁磁—反铁磁线链中的自旋波谱及其激发

本文研究了由交换作用耦合起来的有限长铁磁和反铁磁链组成的自旋系统。计算了系统的自旋波的波谱及其在微波场中的激发强度。在所得结果的基础上,讨论了具有反铁磁氧化层的铁磁薄膜的自旋波共振。阐明了等效地使用唯象普遍边界条件的可能性。根据理论,对等效的表面各向异性能作了估计,得到的数值与实验值很好地符合。     

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。     

Co-Ni/FeMn双层膜中磁化强度对交换偏置的影响

固定CoNiFeMn双层膜中反铁磁层的厚度,改变CoNi铁磁层的成分来调节磁化强度,从而研究铁磁层的饱和磁化强度对CoNiFeMn双层膜中交换偏置的影响.研究表明,CoNiFeMn界面的交换耦合能U不是一个常量,而是随(MFM)12的增加而线性增加.其原因是铁磁层磁矩通过界面相互作用在反铁磁层中形成的局域交换磁场,在磁场冷却时影响反铁磁层的自旋结构或磁畴结构及双层膜中的交换偏置 关键词： 交换偏置 磁化强度     

铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射

利用飞秒激光脉冲在生长于二氧化硅衬底上的W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt两类铁磁/非磁性金属异质结构中实现高效、宽带的相干THz脉冲辐射.实验中, THz脉冲的相位随外加磁场的反转而反转,表明THz辐射与样品的磁有序密切相关.为了考察三层膜结构THz辐射的物理机制,分别研究了构成三层膜结构的双层异质结构(包括CoFeB/W, CoFeB/Pt和CoFeB/Ta)的THz辐射.实验结果都与逆自旋霍尔效应相符合, W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt三层膜结构所辐射的THz强度优于同等激发功率下的ZnTe (厚度0.5 mm)晶体.此外,还研究了两款异质结构和ZnTe的THz辐射强度与激发光脉冲能量密度的关系,发现Ta/CoFeB/Pt的饱和能量密度略大于W/CoFeB/Pt的饱和能量密度,表明自旋电子在Ta/CoFeB/Pt中的界面积累效应相对较小.     

铁磁共振法测磁各向异性

采用铁磁共振方法,研究了铁磁/反铁磁双层膜系统中,因交换耦合以及磁晶各向异性而产生的有效各向异性场.结果表明:被测系统有无交换偏置场以及其正负号性质等均能在共振谱中得到辨析.结果还显示:沿着不同结晶方向施加外磁场,共振场的行为与磁晶各向异性以及铁磁/反铁磁交换耦合作用而诱发的单向各向异性等密切相关.将共振频率的变化看成外磁场(包括其方向和大小)的函数,研究得到了单向各向异性,立方各向异性等对共振频率的影响,并同实验结果做了很好的比较. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换耦合 铁磁共振 单向各向异性     

热效应在电流驱动反铁磁/铁磁交换偏置场翻转中的显著作用

电流驱动的面内交换偏置场翻转具有无需外磁场辅助、抗磁场干扰以及强磁各向异性等优势,受到广泛关注.然而,在纳米级厚度薄膜系统中,反铁磁/铁磁异质结的阻塞温度较低,同时电流脉冲会产生大量的焦耳热,理论上电流热效应对于交换偏置场翻转有着显著作用,但是其作用机制缺乏相关研究和验证.我们制备了一系列反铁磁IrMn厚度不同的Pt/IrMn/Py异质结,系统性地研究了热效应在电流翻转交换偏置场中的作用机制.结果表明,在毫秒级电流脉冲下,焦耳热能够使得器件升温至阻塞温度以上,解除反铁磁/铁磁界面的交换耦合,同时电流产生的奥斯特场和自旋轨道矩能够翻转铁磁磁矩,在降温过程中完成交换偏置场的翻转.并且,在翻转过程中,反铁磁/铁磁异质结的各向异性磁阻曲线呈现与温度相关的两步磁化翻转现象,分析表明该现象起源于交换偏置耦合与铁磁直接交换作用之间的竞争关系.本文的研究结果厘清了热效应在电流驱动交换偏置场翻转过程中的重要作用,有助于推动基于电控交换偏置场的自旋电子器件发展.     

一维自旋轨道模型中自旋-轨道能隙产生机理分析

讨论考虑洪特耦合的两带赫伯德模型得到的一维自旋轨道模型中自旋-轨道能隙的产生.运用SU(4)赝费米子表象下的平均场理论,计算求得价键序参数、准粒子激发谱能隙和自旋、轨道密度-密度关联函数随系统耦合参数变化的结果.随洪特耦合相互作用由零开始增强,系统激发谱能隙逐渐打开,并且系统在参数取值为J₁/J₂=1/3处由具有阻错的无序状态相变到自旋铁磁有序和轨道反铁磁有序的状态.     

铁磁/反铁磁双层膜中自旋波交换偏置的理论与实验分析

考虑铁磁/反铁磁界面粗糙度的随机性及局域外单向的界面能的随机性,考虑原子尺度在交换偏置强度上的至关作用,提出随机场效应概念.对(Fe/FeF2)研究表明,交换偏置和自旋波线宽频率在铁磁/反铁磁双层界面是依赖于外部磁场的.应用玻恩近似,计算了交换偏置对随机场的依赖,由于界面的粗糙度,证明了在反铁磁层出现时在界面自旋波线宽的增加,但自旋波随机场线宽随着外磁场增加而减小,在较大的外场下,从实验能观察到扩展的峰.     

磁性金属材料中交换耦合作用和自旋波的研究

基于交换耦合理论通常使用的近似分析的一般原理, 严格的分析了没有特定假设情况下的磁序范围或有关磁化密度的形式, 及在任何近似下提出一种关于耦合参数的计算方法. 并结合铁磁系统(磁性金属材料Gd, Fe, Ni), 定量的讨论了这种关系的适用范围, 也对自旋波和交换耦合进行了相关分析. 分析表明: 对于近邻磁性原子之间的交换耦合的计算以及在有限波矢量情况下对自旋波谱的计算都得到较为有意义的改进. 提出的交换耦合近似及自旋波谱的关系, 应用于铁磁系统时对近邻原子之间相互作用能给出较好的描述, 或对任何磁体中非完全局域磁化的自旋波谱较大波矢部分给出较合理的描述. 从磁性理论来看, 按照本文模型应用于磁学系统计算得到的结果与实验结果较好的符合.     

金属离子掺杂对CuO基纳米复合材料的交换偏置调控

为了研究反铁磁基体中掺杂的金属离子对交换偏置效应的影响, 本文采用非均相沉淀法制备了纳米复合材料. X射线衍射图(XRD)和场发射扫描电子显微镜(SEM) 照片清晰表明CuO纳米复合样品具有统一的颗粒尺寸, 约为80 nm. 通过体系中掺杂磁性金属离子Ni和Fe, 实现了亚铁磁MFe₂O₄ (M=Cu, Ni)晶粒镶嵌在反铁磁(AFM) CuO 基体中. 在CuO基体中加入少量的Ni能改变两相交界面的磁无序从而生成类自旋玻璃相, 相应提高对铁磁相磁矩的钉扎作用. 同时, 场冷过程中反铁磁相内形成磁畴, 冻结在原始状态或磁场方向上, 畴壁也起到钉扎铁磁自旋的作用, 进而提高交换偏置效应. 随后加入的Ni 会生成各向异性能较大的NiO, 也能够提高交换偏置场. 在带场冷却下, 所有样品均发生垂直交换偏置, 也证明了样品在场冷过程中形成了自旋玻璃相, 正是由于亚铁磁与自旋玻璃相界面上的磁交换耦合, 才导致回线在整个测量范围内发生了向上偏移. 零场冷却和场冷却(ZFC/FC)情况下磁化强度与温度变化曲线(M-T)说明在这些复合材料中的交换偏置效应是由于存在亚铁磁颗粒和类自旋玻璃相界面处的交换耦合作用. 研究发现随着持续掺杂Ni离子, 交换偏置场先缓慢增加后又急剧增加, 生成各向异性能高的反铁磁相NiO 和反铁磁相内的畴态组织是这一结果的原因.     

磁场及体各向异性对面心立方双层铁磁薄膜能带的影响

利用二次量子化方法研究了由相同面心立方结构(100)材料构成的铁磁性双层薄膜,重点讨论了磁场及体各向异性对面心立方双层铁磁薄膜能带的影响.结果表明,无论界面为铁磁性界面交换作用或反铁磁性界面交换作用,磁场及各向异性场对对称薄膜中的自旋波存在方式及整个能带形状没有影响,只是影响整个激发模的能量.磁场和各向异性常数越大,自旋波能量越高.     

Cr2O3中反铁磁自旋波的低频拉曼光谱研究(英文)

反铁磁自旋波在高速和低能耗信息处理方面具有很大潜力。然而，在反铁磁体系中激发和检测太赫兹自旋波是具有挑战性的。在本工作中，我们验证了低频拉曼光谱可作为探测反铁磁体系中自旋波的有力工具。我们通过拉曼光谱系统研究了典型的单轴反铁磁体Cr₂O₃中的反铁磁自旋波，我们的测量范围低至2.3 cm^-1(69 GHz)。我们分析了自旋波的塞曼劈裂和自旋翻转相变。我们进一步通过偏振拉曼的方式确定了自旋波能支的角动量符号。我们还得到了Cr₂O₃的各向异性能，g因子和自旋翻转场随温度和磁场变化的函数关系。自旋波重整化理论解释了所有实验观测结果。     

稀自旋极化氢气体中发现自旋波

自旋波是凝聚态物质中很普遍的现象.如果一个原子的自旋偏离最优的取向,由于相邻原子目旋间的关联,这种局部的偏离会象波一样在介质中传播.已在很多系统中观察到自旋波的存在,例如铁磁、反铁磁、亚铁磁材料以及极低温下的液体～3He系统.由于目旋间的关联是一种量子力学的交换作用,来源于相邻原子波函数有相当的交叠,按照量子统计的原理,需要考虑全同粒子对总波函数对称性的要求.因此,很长时间人们一直认为,在稀的原子之间相距甚远的系统中,自旋波是不存在的.令人惊奇的是,1984年美国Cornell大学D.M.Lee的小组却在稀的自旋极化氢气体中证实…     

一维钻石链反铁磁Ising模型磁化的模拟

采用Monte Carlo模拟方法对自旋为1/2的一维钻石链反铁磁Ising系统的磁化行为进行研究.在这个系统中,反铁磁的交换作用和三角结构导致存在自旋阻挫.重点研究不同的反铁磁自旋交换作用对系统磁行为和自旋构型的影响.模拟磁化曲线中M=M_S/3磁化平台,得到平台宽度随不同的自旋交换相互作用强弱的变化关系,以及出现磁化平台时格点的自旋构型;给出亚稳态存在的条件及亚稳态时的微观构型.研究磁滞回线随温度的变化关系.结果表明,随着温度的升高,磁滞回线逐渐减小,最终消失.     

具有幂次相互作用的磁性粒子凝聚过程的数值研究

在扩散限制凝聚模型的基础上引入粒子的自旋自由度(包括自旋向上和向下),并假设粒子间存在幂次Ising磁相互作用,采用Monte Carlo方法研究了在不同相互作用力程情况下磁性粒子的分形生长规律.模拟结果表明,当粒子间以反铁磁方式耦合时,凝聚体中的粒子自旋交替凝聚.当粒子间以铁磁方式耦合时,凝聚体中粒子的自旋分布与相互作用力程有关:对于短程作用系统,凝聚体中存在大小不同的自旋畴块,即为铁磁生长;而对于长程相互作用系统,凝聚体中的自旋出现反常分布,即中心区域是近似反铁磁生长的结构,其外围后续生长的粒子却保持 关键词： 幂次相互作用 扩散限制凝聚模型 自旋     

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