自旋与机械耦合效应研究

The control of spin is the core issue of spin electronics. Spin, an intrinsic property of electron, is a sort of angular momentum. Therefore, based on the conservation of angular momentum, the spin can couple to mechanical rotational angular momentum. This project is to investigate the coupling of spin to mechanics or stress. The approaches employed in this study include, LLG equation, the equation of motion and boundary condition, Hamiltonian with coupling of spin to stress, and spin-lattice Monte Carlo method. The objects involve magnetic metal, oxide tunneling junction, and narrow-band semiconductor. We will study the mechanism of spin-mechanics coupling in these three structures and explore thespin0mechanics coupling due to strain-induced spin-orbit-interaction(SOI). The aims are to find the micro mechanism of the coupling, and the dynamic process in macro scale and to build the physics picture of spin-magnetization-mechanics coupling. It is the theoretical and fundamental knowledge for the future equipment in the field of detecting, producing and controlling spins. The research is significant for the next generation spintronics devices.

对于自旋的输运和操控是自旋电子学研究的核心问题。电子自旋具有角动量属性，可以与机械转动角动量相耦合和相互转化。本项目立足于研究自旋与机械转动、机械应力的耦合作用。分别采用LLG方程、运动学方程与边界条件、自旋与应力张量耦合的哈密顿量、自旋点阵的蒙特卡洛模拟等计算方法，针对磁性金属、氧化物隧道结、窄带半导体等不同体系深入研究其自旋-机械耦合效应。探索存在应力导致的自旋轨道作用下的自旋与机械耦合模式，揭示自旋-机械耦合效应的微观机制和宏观动力学过程，建立自旋-磁化-机械耦合的半定量物理图像。为研制探测、产生和操控自旋流的新型装置提供物理基础和理论依据。本项目的开展将对增强操控自旋的手段，对研制新一代自旋电子学器件具有显著意义。

本项目立足于研究自旋与机械转动或应力的耦合作用。分别采用LLG方程、运动学方程与边界条件、自旋与应力张量耦合的哈密顿量、自旋点阵的蒙特卡洛模拟等计算方法，探索了机械耦合效应的微观机制和宏观动力学过程，建立自旋-磁化-机械耦合的物理图像。为研制新型的自旋流探测、产生和操控装置提供物理基础和理论依据。主要研究成果包括：1、基于自旋转移矩效应的自旋阀器件的应力研究，研究了纳米自旋阀的应力问题；2、自旋极化电流驱动畴壁运动的速度规律研究，获得了畤壁运动速度与电流密度和温度的函数依赖关系，成功的解释了前人的实验结果；3、基于LLG方程的纳米磁体或自旋体系的磁滞回线动力学研究，计算得到了磁滞回线能量耗散色散关系以及回线的动力学演化规律；4、基于自旋转移矩效应的亚微米/纳米转动马达的设计，给出了一种基于自旋流的微观转动机械；5、基于格点矩阵的一个大脑模型对脑认知和容量进行了研究，获得了最佳认知成功率的脑容量占比。本项目的开展对增强操控自旋的手段、研制新一代自旋电子学器件具有显著意义。