多铁材料中非共线磁性与电极化耦合机制的理论研究

This project concerns the theoretical study of the coupling between noncollinear magnetism and polarization in multiferroics. Multiferroics defined for those multifunctional materials which combine magnetism and ferroelectricity in the same phase. They have tremendous potential for applications in spin electronics,quantum control and other fields, not only because they possess the properties of both parent phenomena, but also because coupling between magnetism and ferroelectricity can lead to additional novel effects. For example, the magnetoelectric effects could yield entirely new device paradigms. However, attempts to make clear the mechanism of magnetoelectric coupling and design multiferroics that combine magnetism and ferroelectricity in the same phase have proved unexpectedly difficult. We are motived to explore the geometric phase form of the polarization caused by spin-orbit coupling, by using the Berry phase theory of polarizaton and orbital magnetization. Using the method of first-principles based on density functional theory(DFT), we could calculate the polarization caused by spin-orbit coupling in multiferroics with noncollinear magnetism, explore the influence of spin-orbit coupling on the polarization in multiferroics. Then we could understand the mechanism of magnetoelectric coupling, and find out new multiferroics with huge magnetoelectric effects in room temperature.

本项目将致力于多铁材料中非共线磁性与电极化耦合机制的理论研究。多铁性材料是一类多功能材料，同时具有铁电性和磁性，而且二者之间存在磁电耦合效应，在多铁性材料中可以实现铁电性和磁性的相互调控，因此在自旋电子学，量子调控和其他领域具有非常诱人的实际应用前景。如何理解多铁性材料的磁电耦合机制,寻找设计同时具有磁性和铁电性的材料成为目前多铁性材料研究中的主要问题。本项目将基于电极化和轨道磁矩的贝里相位理论，给出自旋-轨道耦合导致电极化矢量的几何相位形式，利用基于密度泛函理论的第一性原理电子结构计算方法，计算具有非共线磁性的多铁材料中自旋-轨道耦合对电极化矢量的贡献，研究自旋-轨道耦合存在与否对材料电极化矢量的影响，理解多铁性材料中铁电性和磁性的共存耦合机制，以多铁性材料微观机制和物理性质的研究为基础，寻找室温下具有强磁电耦合的新型多铁性材料。

本项目主要研究多铁材料中非共线磁性与电极化耦合机制。基于电极化和轨道磁矩的贝里相位理论，我们给出自旋-轨道耦合导致电极化矢量的几何相位形式，利用基于密度泛函理论的第一性原理电子结构计算方法，考虑具有非共线磁性的多铁材料中自旋-轨道耦合对电极化矢量的贡献，我们修改了计算方法，该方法在考虑自旋轨道耦合的拓扑绝缘体计算，AlxGa1−xAs结构中 GaAs层的激子的束缚能计算，以及Ca6(Li0.5Fe0.5)Te2N3中自旋轨道磁距计算中都有很好的应用。进一步利用该方法，我们还可以理解多铁性材料中铁电性和磁性的共存耦合机制，以多铁性材料微观机制和物理性质的研究为基础，寻找室温下具有强磁电耦合的新型多铁性材料。项目资助发表核心论文4篇。两名参与者为合作单位的研究生，其中1名取得硕士学位，另外1名取得博士学位。项目投入经费25万元，支出16.3655万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费8.6345万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。