二维纳米材料中力-磁-光耦合动力学行为的微观机理及调控研究

Controlling the magneto-optic dynamics on the surface of two-dimension (2D) nano-structured materials is pivotal to the design of spintronic and quantum computing devices. Proposed schemes involve the interaction of spin with graphene to enable electrical spin manipulation in surface states. However, the influence of 2D materials environment (including attaching, doping, defects, macro- and micro-mechanical deformation, etc) on the magneto-optic system has yet to be unraveled. Therefore, the mechanical-magneto-mechanical, opto-mechanical coupling, mechanisms and the corresponding device principles for the surface/interfaces of two-dimensional materials have become the key scientific issues in magneto-optical dynamics. In this project, structural and electronic stability of 2D materials represented by graphene will be systematically investigated by using physical-mechanics modeling and micro- and nano-scale simulation methods such as molecular dynamics and first-principles calculations. Then, from the mechanical point of view, the law and influence of macro- and micro-mechanical field on its magneto-optical dynamics behavior will be exploited, attempting to design nanoscale functional devices based on 2D materials. Through investigation of the present project, it is expected to reveal micro-mechanisms of modulating magneto-optical dynamics properties of 2D materials, to constitute a new theoretical model for ultrafast magneto-optic dynamics based on structure-spin interaction, and to establish the theoretical basis and provide novel ideas for the design of functional devices based on 2D magnetic systems.

对二维纳米材料表面磁光动力学的控制是设计自旋电子器件和量子计算器件的关键。现有的解决方案主要是通过自旋与石墨烯之间的相互作用以实现表面态的自旋电子操控。然而，二维材料环境（包括吸附、掺杂、缺陷、宏微观力学变形等）对系统磁光动力学行为的影响机理尚未阐明。因此，二维材料表/界面的力-磁、力-光耦合行为、机制与相应的器件原理已成为磁光动力学领域亟待解决的关键科学问题。本项目拟采用物理力学建模与分子动力学、第一性原理等微纳尺度模拟方法，系统研究以石墨烯为代表的二维材料的结构和电子稳定性；进而从力学角度深入探索宏微观力学场对二维材料中磁光动力学特性的影响程度和规律；设计基于二维材料的纳尺度功能器件。通过本项目研究，可望从理论上揭示调控二维材料磁光动力学特性的微观机理；建立基于结构-自旋相互作用的超快磁光动力学理论模型；为基于二维磁性体系的功能器件设计奠定理论基础并提供新的设计思路。

对二维磁性材料表面磁光动力学行为的认识与调控是设计未来自旋电子器件和量子计算器件的关键。然而，目前针对二维磁性材料所处的物理力学环境（包括吸附、掺杂、力学变形等）对其磁光动力学行为的影响机制尚未阐明。为此，本项目研究针对二维磁性材料的表/界面力-磁-光耦合行为、调控机制与响应、器件设计等一系关键科学问题展开，采用基于第一性原理的量子化学计算方法，研究了一系列二维磁性纳米结构中的原子结构和电子特性；进而在结构中引入力学应变，探究了外加应变对体系磁光耦合特性及其动力学行为的影响规律；设计了基于二维磁性体系的自旋逻辑门以及功能器件。研究结果表明：基于二维磁性材料中的超快磁光动力学行为设计纳尺度功能器件，在未来的自旋电子器件和量子逻辑运算器件的设计中具有重要的应用前景；在应变调控方面，二维磁性材料对于不同大小和方向的应变响应不同；特别地，在Ni2&GNF结构中，外加应变可以引入了更多超快自旋动力学进程的可能性，实现了应变诱导的自旋转移进程。此外，我们在含有多磁性元素掺杂的石墨烯纳米片层中实现了自旋逻辑门与量子逻辑门的设计，在亚皮秒时间内实现了高保真度的自旋经典逻辑门以及从一个量子比特到三个量子比特量子逻辑门的设计。在器件设计方面，我们在含4个磁性元素掺杂的γ型石墨烯纳米片层中，基于可实现的超快自旋动力学设计了自旋锁存器、自旋全加器等自旋逻辑运算器件的理论模型，为未来自旋逻辑器件的设计和制造提供了理论参考和新的设计思路。综上所述，本项目基于应变调控二维磁性纳米材料中磁光动力学特性的思想，结合物理力学建模与第一性原理计算方法，研究了一系列具有应用前景的二维材料的力-磁-光耦合动力学特性，并构建了一系列逻辑处理单元的理论模型，在不断完善理论方法的同时，可望推动未来二维纳尺度磁性存储单元和自旋器件的实用化进程。