非平衡稳态磁振子的能量再分配原理与自旋塞贝克效应

Construction of thermodynamics and statistical mechanics that applies to nonequilibrium states, even to the simplest nonequilibrium steady states (NESS), i.e., states with a constantly flowing heat current, is still one of the most challenging problems in theoretical physics. There is even no consistent definition for the temperature in nonequilibrium. Spin caloritronics is an emerging field in magnetism that looks into the interaction between nonequilibrium heat and spins. In addition to providing ways of thermally manipulating magnetizations and magnetic textures such as domain walls and skyrmions, it also holds the promise of novel energy harvesting applications owing to the recent discovery of the spin Seebeck effect (SSE), i.e., the generation of a spin current by a steady temperature gradient. It has been widely recognized that the aforementioned spin caloritronic effects are consequences of the interactions between phonons, electrons, photons, and spins. From this perspective, spin caloritronics is an ideal platform to develop our understanding on fundamental nonequilibrium thermodynamics and statistical mechanics, by embracing thermotics and spintronics. In this project, we plan to establish a general energy repartition principle and give a rigorous definition of the temperature of nonequilibrium magnons, based on the magnetization dynamics in insulating ferromagnets. We plan to study the key role played by boundary conditions and bath profiles, and to generalize the spin Seebeck theory. We hope that our theoretical studies can provide important reference for general nonequilibrium thermodynamics and statistics, and for spin caloritronics in particular.

非平衡态的热力学与统计理论如今还是物理学的一大难题，许多在平衡态下成立的理论在非平衡态时会失效，一些非常基本的问题长期没有得到根本解决，比如如何定义非平衡态下的温度。热激发自旋电子学是一个新兴的研究领域，它融合了热学和自旋电子学，研究非平衡的热跟自旋之间的相互作用，涉及电子，声子，光子以及磁振子等之间的复杂耦合，大量激动人心的新的物理现象已经被报道，并亟需理论解释。因此，热激发自旋电子学是研究和发展非平衡态热力学统计的理想平台。本项目中，申请人拟从研究铁磁绝缘体里面非平衡磁振子的动力学入手，建立一般性的能量再分配原理，给出非平衡态下磁振子温度的严格定义，研究复杂边界条件和热源构型所起的决定性作用，推广自旋塞贝克理论，以此为突破口，为将来非平衡态热力学与统计理论的完成以及热激发自旋电子学的发展提供关键理论基础。

非平衡态的热力学与统计理论如今还是物理学的一大难题，许多在平衡态下成立的理论在非平衡态时会失效，一些非常基本的问题长期没有得到根本解决，比如如何定义非平衡态下的温度。热激发自旋电子学是一个新兴的研究领域，它融合了热学和自旋电子学，研究非平衡的热跟自旋之间的相互作用，涉及电子，声子，光子以及磁振子等之间的复杂耦合，大量激动人心的新的物理现象已经被报道，并亟需理论解释。我们研究了铁磁绝缘体里面非平衡磁振子的动力学，建立了一般性的能量再分配原理，给出了非平衡态下磁振子温度的严格定义，揭示了复杂边界条件和热源构型所起的决定性作用。我们提出了一种新的自旋塞贝克波动理论来理解温度梯度下铁磁（或者亚铁磁）绝缘体中自旋波的输运。该波动理论揭示了横向自旋塞贝克效应的起源来自于自旋波的延展性：处于延展态的自旋波可以感受到整个系统的温度以至于自旋波的温度在冷端（热端）会高于（低于）金属探测棒的温度。因此，横向自旋塞贝克效应的信号会在冷端和热端改变符号。另外，系统中普遍存在的无序和梯度磁场会使得自旋波被局域化，只能感受到局域温度，从而极大地抑制横向自旋塞贝克效应。我们进一步研究了由于磁各向异性引起的非线性自旋波湍流效应对自旋波局域化的影响。计算表明，非线性的存在倾向于去局域化，使得自旋波变得更延展，从而会极大地增强自旋塞贝克效应。我们的研究结果为将来非平衡态热力学与统计理论的完成以及热激发自旋电子学的发展提供了关键理论基础。