磁性纳米结构中基于Λ进程的超快自旋动力学研究

基于自旋自由度的磁性存储单元和逻辑器件将极大提高未来电子设备的信息密度和运算速度。本项目拟在我们建立的基于Λ进程的超快自旋转换理论模型基础上，应用量子力学第一原理计算和自编程序相结合的方法，对磁性纳米结构中由激光引起的超快自旋动力学进行系统研究。尤其为克服磁性原子之间实现自旋转移的困难，引入金属或非金属的非磁性元素作为桥接原子，探索不同桥接原子的物理特性对磁性原子之间自旋可转移性的影响程度和规律。通过本项目研究，可望在理论上揭示磁性原子之间由激光引起的自旋可转移性的一般规律，阐明第一原理计算在磁性纳米结构中自旋动力学研究领域的特点与优势，建立更高效的超快自旋操控模型；为未来自旋存储单元和逻辑器件的实用化提供理论依据和新的设计思路。

本项目针对磁性纳米结构中实现超快自旋翻转和自旋转移所涉及的关键科学问题，在以下方面进行了具体研究：（1）通过对基于Λ进程的超快自旋动力学模型中初始态、最终态和中间态之间的能量差分析，为磁性纳米结构中非磁性桥接原子的引入提供了有力的理论依据。（2）对自旋转移在磁性纳米结构中的实现及其可转移性规律进行了深入探索，结果表明非磁性桥接元素的引入有效地改变了体系的对称性和自旋密度分布，使之有利于自旋转移在结构中的实现。基于系统的计算和理论预测，得到了一系列可供后续研究参考的定量或者定性的结论。（3）通过对现有理论模型进行优化设计，使基于Λ进程的超快退磁、自旋翻转和自旋转移在理论上得以实现。（4）对具有相同磁性中心但不同对称性（包括不同桥接元素）的磁性纳米结构中基于Λ进程的超快自旋转换进行了系统研究。（5）针对自旋转移在严格线性结构中较难实现的问题，研究了线性磁性分子离子中由激光诱导的超快自旋转移。（6）与德国凯泽斯劳滕工业大学Krüger教授实验组合作，设计了一套结构优化方法对实际合成的双磁性中心配位化合物进行了基于第一性原理的整体优化，并在该体系的三重态Ni中心上实现了超快自旋翻转。这是本项目采用的理论模型在实际分子磁体中的初步尝试。（7）探索了内嵌磁性元素富勒烯中由激光诱导的超快自旋转换，为进一步选取实验中可合成且具有实际应用前景的分子体系进行超快自旋操控研究奠定了理论基础和实际操作经验。. 经过3年的努力，本项目基本按原定工作计划完成了研究内容，解决了项目申请时拟解决的关键科学问题，达到并部分超过了课题申请时拟定的主要技术指标。首先，完善了对磁性纳米结构进行几何优化和自旋态预测的精确理论计算方法，解决了外场与物质相互作用的动力学建模与求解方法。其次，通过系统的理论计算与分析揭示了非磁性桥接原子对体系中自旋可转移性影响的一般规律。最后，在完成本项目基本研究内容的基础上，也逐渐形成了一些新的研究思路，为本项目结题后下一步的研究工作铺平了道路。