铁磁金属-铁磁绝缘体多层膜材料中的自旋转化和自旋输运研究

Spin transport properties of ferromagnetic metal carried by the spin current to achieve , in ferromagnetic insulator without any free electrons , which spin transport properties can only be transported by spin waves or magnetic quantum excitation(Magnon). In a ferromagnetic metal - ferromagnetic insulator multilayer system, how the spin transport properties of ferromagnetic metal with spin current inject into a magnetic insulator magnon, how the magnon transport and decay in the ferromagnetic insulator, how magnon ultimately translate into a measurable electrical current signal, the effects of different parameters on the transport efficiency of the material , and how to use physical tools to regulate these processes , this project will be the focus of this research. We apply non -equilibrium spin-dependent Boltzmann equation and Magnon Boltzmann equation to calculate the spin current in the system of the transport properties of ferromagnetic insulator. At boundary we apply the quantum theory of linear response of metal transformation and magnon spin current and the ferromagnetic insulator interface . Physical core of this project will focus on non-equilibrium spin accumulation, spin injection , electron spin and magnon convertance , the impact of material parameters and other aspects of the regulation of physics .

铁磁金属材料中自旋输运特性由自旋电流来实现，铁磁绝缘体中由于没有自由电子，因而自旋输运特性只能由磁量子（Magnon）或自旋波来传播。而铁磁金属-铁磁绝缘体多层膜体系中，自旋输运特性如何由铁磁金属中的自旋电流转化为铁磁绝缘体中磁量子，磁量子如何在铁磁绝缘体中输运和衰减，磁量子如何最终转化为可测量电流信号，不同材料参数对输运效率的影响，以及如何应用物理手段对上述过程进行调控，都将是本课题研究的重点内容。研究方法上，将应用非平衡态自旋相关玻尔兹曼方程来计算自旋流在体系中的输运特性，铁磁绝缘体中将采用magnon玻尔兹曼方程进行研究，整个铁磁金属-铁磁绝缘体多层膜体系将应用整体自洽求解方法。同时将应用全量子线性响应理论研究金属与铁磁绝缘体界面处的自旋流与magnon的转化。本课题的物理核心内容将着重于非平衡态自旋积累，自旋注入，电子自旋与magnon转化，材料参数的影响以及物理场的调控等方面。

本项目应用非平衡态统计物理方法，建立了包含全部多体相互作用和全部多体散射的铁磁绝缘体中的magnon玻尔兹曼输运方程，并已初步完成自主知识产权程序包的开发。本项目的研究发现magnon在铁磁绝缘体中输运和衰减与磁场的关系是通过magnon体系的集团相互作用来进行调控的，本项目发现在铁磁绝缘体中magnon输运过程中广泛存在集团相互作用，并且集团相互作用在Boltzmann方法中将产生逆扩散驱动作用，从而可以通过局域场调控magnon的输运特征尺度和相关物理量。多体散射相互作用特别是三体散射是magnon 弛豫的重要方式，同时也是多体相互作用对magnon输运特性影响的重要方式。本项目研究在理论上发现了magnon在铁磁绝缘体中输运和衰减的物理原理与本质，并与实验在磁场依赖关系，电流密度关系等方面取得了一致的结果。本项目在材料参数对magnon输运效率的影响研究中，发现各种材料由于材料结构参数不同，输运方向不同，材料各向异性场和退磁场等参数不同，都会在Boltzmann输运方法中影响其输运特性和衰减行为，进一步本项目预测了可用于新型magnon输运器件的新材料参数区间。本项目的研究成果对于新型自旋输运器件的设计和调控将有重要理论意义。