飞秒级自旋力矩建立与非平衡态铁磁/非铁磁界面关联的研究

The core of this project is exploring femtosecond buildup process of spin torque in magnetic nano-devices and discovering the impact of Ferro/Normal interfaces in this nonequilibrium process. Study of time-dependent behavior of spin torque from zero time is curcial to understand the physics of spin torque, and find new mechanism to improving magnetization flip speed. We will employ time dependent spin Boltzmann equations to simulate spin transport process in magnetic nano-structures, emphasize on femtosecond inintal behavior of spin torque . We will adopt the two spin scattering theorem to study spin transport behavor near F/N interfaces, like spin flip scattering, reflections,etc. The interfaces effect on spin transport can be characterised by mean flux spin current and spin accumulations. We will also try to use numerical methods to simulate nonequilibrium spin transport process in spin valve type magnetics devices.This research will potentially supply a new view on fast-flip magnetic recording, Laser-induced magnetics switching, and heat induced magnetic recording, etc.

本课题旨在探索纳米磁性器件中自旋力矩的飞秒量级建立过程，并揭示铁磁/非铁磁界面对在此非平衡态过程中的作用以及界面对自旋力矩的影响。研究自旋力矩从零时刻起的建立和演化过程对于理解自旋力矩的本质根源，提高自旋力矩以及各种磁翻转中超快过程的物理机理都有重要意义。本课题尝试通过含时自旋波尔兹曼方法研究自旋在纳米磁性器件中传输和演化过程，进一步得到自旋力矩的飞秒级行为的特性。在铁磁/非铁磁界面应用双自旋散射理论探索自旋在界面附件的动力学翻转，反射等行为的物理机理。 通过研究体系自旋电流的形态来表征界面对于体系自旋输运特性的影响。本课题还将应用数值计算方法具体模拟自旋阀等纳米磁性体系中的自旋力矩建立过程，并尝试与相关实验结果进行对比。本课题的研究同时对于进一步加快磁记录翻转，激光激发超快翻转，热激发磁记录等各类磁翻转研究都有一定理论意义。

本项目在飞秒级超快自旋动力学和非平衡态下铁磁/非铁磁界面两方面进行了一系列深入的研究，在物理上揭示了飞秒级超快自旋动力学中的物理核心机制，并得到了铁磁/非铁磁界面非平衡态下输运的物理实质。通过对L10FePdPt体系自旋磁矩在外场下的进动行为的理论和计算研究，发现了飞秒级超快自旋动力学中决定性参数阻尼因子与磁性材料的内禀物理性质自旋轨道相互作用间的关系，从而可以在材料内禀物理属性上调控飞秒级超快自旋动力学过程。进一步实验验证L10FePdPt体系中，Gilbert 阻尼因子与自旋轨道相互作用成平方关系，并发现了主要原因是由于带间散射的弛豫机制造成的。非平衡态下铁磁/非铁磁界面关联研究中，发现了包含非共线体系的自旋输运玻尔兹曼方程，完善了非平衡态下磁振子输运方程。应用我们独立版权的输运计算软件程序，解决了热激发磁振子输运中，铁磁绝缘体YIG/非铁磁Pt界面处的非平衡态关联问题。在磁振子和自旋输运研究中发现了自旋扩散长度与自旋翻转尺度间的关系。通过理论计算发现了新型铁磁材料FeNbSb基哈斯勒合金在价带顶存在着简并，并发现此简并对于热输运有重要促进作用，尤其是对提高材料的Seebeck效应有效果。通过更深入的组分的优化，找到了新型基哈斯勒合金最佳的热电转化态。多场作用下水分子在纳米尺度的输运中，发现了水分子在受限系统中输运受到阻碍的势垒能量，研究了水分子在受限体系中运动的统计学规律，最终发现了水分子在受限体系中能否通过的相图等。..本项目的研究成果可以应用于设计新型的自旋震荡器件，特别是目前国家需求的 THz, GHz震荡器件，同时对于新型的磁存储器件有重要的科学意义。本项目在自旋扩散长度方面的研究对于新型自旋电子器件的集成化有重要意义，对于设计自旋器件的尺寸有决定性意义。