拓扑量子态调节的磁相互作用及导致的磁动力学理论

Spintronics is an emerging discipline to explore the application of spin degrees of freedom, and now topological quantum material is regarded as one of the most application prospect. The novel properties of topological quantum materials stem from the spin-orbit locking nature of topological quantum states. It is very important for fundamental investigation and potential application to explore the topological-state induced exotic spin features and resulting magnetic dynamics. The contents in this project are included as follows: (1) Study the relation between the topological quantum phase transition and bulk RKKY interaction on silicene, exploring the magnetic signature to identify the topological phase transition. (2) Study the effect of Weyl Fermi arc states on the RKKY interaction, making one understate the magnetic properties of Weyl Fermi arc deeply. (3) Study the spin-orbit torque induced by the current following on the topological insulator surface and resulting magnetic switching and magnetic dynamics, with the aim to reveal giant spin torque mechanism. (4) Study the current induced spin-orbit torque and magnetic dynamics in Weyl semimetals, with the purpose to understand deeply the three-dimension spin-momentum locking structure and its related electrically controlling magnetic behaviors. This project will provide deep understanding of the topological quantum state characteristics, and at the same time try to explore novel spintronic features, in order to provide new ideas for solving the bottleneck problem of spintronics and designing spintronic devices.

自旋电子学是开发自旋自由度应用的一门新兴学科，日前拓扑量子材料被认为是自旋电子学中最有应用前景的体系之一。拓扑量子材料的奇异特性来自于自旋-轨道锁定的拓扑量子态，探索拓扑量子态诱导的奇异自旋特性及导致的磁动力学，对基础研究及潜在的应用都有着重要的价值。本项目研究内容包括：（1）研究硅烯体系中的拓扑量子相变与体态RKKY互作用的关联，探索识别拓扑相变的磁信号特征；（2）研究Weyl费米弧表面态对RKKY互作用的影响，深入理解费米弧表面态的磁学特性；（3）研究拓扑绝缘体表面电流诱导的自旋轨道力矩、以及导致的磁化翻转和磁动力学，进而揭示巨自旋力矩机理；（4）研究Weyl半金属中电流诱导的自旋轨道力矩及磁动力学，深入理解三维自旋-动量锁定自旋结构及其相关的电控磁行为。本项目在深入理解拓扑量子态自旋特性的同时，试图探索新颖的自旋电子特性，为解决自旋电子学瓶颈问题及器件设计提供新思路。

本项目重点研究硅烯、三维拓扑绝缘体、Weyl半金属及 Nodal line半金属材料中磁杂质之间的RKKY磁相互作用、磁电阻效应、以及电流诱导的自旋轨道力矩和磁动力学。这些效应为拓扑特性的探测提供有力的判据。探索拓扑量子态诱导的奇异自旋特性及导致的磁动力学，对基础研究及潜在的应用有着重要的价值。主要结果如下：（1）研究了硅烯在光调控下的拓扑相变及诱导的各向异性拓扑边缘态，发现边缘态有强的自旋极化可以用于识别拓扑态的自旋各向异性。发现 nodal-line半金属中具有各向异性体态RKKY相互作用，这些相互作用能特征化体系的拓扑量子相变，为实验上判别拓扑量子相变提供新的磁特征信号。在磁场作用下，揭示了 nodal-line半金属中动力学反常霍尔光导，以及电子输运的界面效应。（2）研究了三维Weyl半金属费米弧表面态对磁杂质之间的RKKY磁相互作用的影响。相比于体态，表面态能导致极大的磁相互作用，并具有更缓慢的空间衰减率，而且能导致丰富的磁相互作用模型，特别是产生DM磁相互作用。RKKY磁相互作用还能用于识别type-I和type-II类Weyl半金属的拓扑相变。进一步，我们提出多种信号特征包括：利用近藤效应、平面霍尔效应、负磁电阻振荡、 Andreev 反射等探测Weyl半金属中的手征反常特性。（3）研究了铁磁绝缘体与拓扑表面态相互作用，发现电流可以诱导拓扑表面的自旋极化，对铁磁体的磁化产生自旋轨道力矩从而使得磁化翻转，发现拓扑表面态的弯曲项能增大力矩。在施加磁场的情况下，进一步提出了线性和非线性平面霍尔效应新机制，解释了最近的实验。（4）研究了Weyl半金属中电流诱导的自旋轨道力矩及磁动力学。利用光诱导的自旋极化实现一种完全的自旋极化Weyl半金属态，我们首次命名为 Weyl Half Metal。在Weyl半金属异质结系统中能导致100%自旋过滤效应，在Weyl半金属/超导异质结中产生的约瑟夫森电流能特征化Weyl node的分离和合并。本项目在深入理解拓扑量子态自旋特性的同时，试图探索新颖的自旋电子特性，为解决自旋电子学瓶颈问题及器件设计提供新思路。