电子输运中自旋轨道耦合和电极非对称磁化引起的非共线磁有序效应

Noncollinear magnetic order means the spin orientation of electrons are not aligned along a line. Noncollinear electronic transport is expected to be of intriuging properties and applications, such as spin field effect transistor. Currently, different results based on first principle methods exist, which indicates that the knowledge we have for noncollienar transport is far behind collinear transport. The purpose of our proposal is to investigate the noncollinear effect of transport by considering spin-orbit coupling and asymmetrically magnetized leads and to show the underlying physical mechanisms. On the one hand, we will study electronic transport of pure Bi2Se3 surface and nanoribbon, Fe/Bi2Se3/Fe and Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions, in order to show the effect of spin-orbit coupling, asymmetrically magnetized leads, interface states, bias voltage and intrinsic relationship of charge, spin and interface. On the other hand, developing a method to reduce large computational demand is very important for noncollinear electronic transport. We will apply elimination method and recursive method to obtain the Green''s function, instead of inversing the Hamiltonian equation directly. Our proposal will provide considerable insights into the design of magnetic devices of excellent anisotropic magnetoresistance and the discovery of important processes, e.g. spin flip and spin precession.

非共线磁有序结构是指体系中所有电子的自旋方向不在一条直线上。非共线磁有序结构的电子输运具有非常独特的物性和应用前景，如自旋场效应晶体管。虽然主要基于第一性原理方法，但不同研究结果之间还存在一定的差异，表明对非共线效应的认识还不足，远远落后于对共线磁有序电子输运的认识。本项目的研究目标是通过电子输运中自旋轨道耦合和左右电极非对称磁化引起的非共线效应的研究，探讨非共线磁有序电子输运的内在特征和物理机制。我们将探讨Bi2Se3表面和纳米带、Fe/Bi2Se3/Fe和Fe/MgO/Fe隧道结的电子输运，揭示自旋轨道耦合、电极非对称磁化、界面电子态、偏压的影响，探索电荷、自旋、界面在电子输运中的独特作用。在方法上，我们将改进第一性原理方法中直接求逆得到格林函数的方法，应用消元法和初等变换法等降低大系统的计算量。本项目的实施对于设计具有优异各向异性磁阻的器件和揭示自旋进动和翻转等重要过程提供新的认识。

研究非共线磁序对于理解电子输运中的自旋翻转和自旋轨道耦合效应是凝聚态物理的有趣课题之一。本项目围绕电极非对称磁化和自旋轨道耦合效应对于电子输运的影响为主线，系统研究了几类典型非共线磁序结构的电导，界面电子态、电流-电压关系等特征。首先，与北陆先端科技大学院大学的Taisuke Ozaki教授合作，基于Ozaki教授开发的基于数值原子轨道的密度泛函程序OpenMX，开发了非共线磁序的电子输运模块（程序包已经公开），并研究了几类简单非共线磁序系统的电子输运，检验了程序性能。研究了Mn的原子链在电极反对称磁化时，中心区的磁化呈现共线磁序排列与螺旋式排列的电导，揭示了自旋翻转效应。研究了Mn原子链的共线磁序排列与螺旋式、摆线式和磁孤立子结构的电子输运性能。研究了Fe/MgO/Fe和Fe/NiO/Fe隧道结在电极非共线磁序排列时和在考虑自旋轨道耦合时形成的非共线磁序结构的电子输运，重点探讨了非共线界面电子态和自旋轨道耦合的影响。此外，我们也研究了一些低维系统的电子输运行为，得到了一些有趣的结论。例如，研究了螺烯的电子输运，揭示了特有的电流与螺烯螺距之间的U型特征。研究了边缘有长链结构的石墨片的电子输运行为，揭示了奇偶效应等特征。基于本项目的研究成果，发表SCI论文8篇，参加相关学术会议和互访10次。