新型自旋电子学材料的第一性原理研究

We propose to develop and apply density functional approaches to address fundamental issues in molecular spintronics, spintronics and spin-topotronics. Explicitly, we will study (1) topological band gaps and magnetic anisotropy of innovative two-dimensional materials for the realization of quantum spin Hall effect or quantum anomalous Hall effect; and (2) magnetic anisotropy and spin dynamics in small structures including single molecular magnets. The uniqueness of our project is the determination of magnetic anisotropy energies of large systems, which is essential for the understanding of spin dynamics and spintronics. It is our goal to conduct creative research on low-dimensional magnetic structures of fundamental importance, with an eye towards finding new materials and phenomena for technological breakthroughs.

自旋电子学和自旋拓扑电子学是近来涉及多学科研究的一个热点。通常人们关心的问题是净自旋流的产生和调控，研究对象包括磁性半导体，磁性分子，磁性拓扑绝缘体以及各种界面。而在众多的物理性质当中，磁晶各向异性的重要性没有得到相应的关注和研究。我们打算对不同体系中的磁晶各向异性能及其对各种外部条件下的变化行为进行系统的第一性原理的研究。重点内容包括：（1）在那些体系中可以实现巨大的各向异性能（如大于30meV/磁性原子）；（2）磁性层或磁性杂质在拓扑绝缘体中或石墨烯上是否具有垂直磁晶各向异性并具有非零Chern数。我们将探索不同元素组合（包括稀土元素）的增加取得突破的可能性。预期可以为磁记录、量子计算机、自旋电子学等实用领域的发展做出贡献。 我们研究组过去二十年在本领域做过很多开创性工作，发展了独创性的计算软件，对项目的完成有充分的信心。

1.研究了DMI对自旋波在磁畴壁中传播的行为，预言了包括自旋波二极管和自旋波光纤等新型性质并提供了实现的具体方案。.2.系统地研究了多种材料的拓扑及输运性质， 如预言Sn, Pb, Bi 等薄膜在氧化铝表面的二维拓扑性质。.3.通过第一性原理研究以及Monte-Carlo模拟，首先指出了氧气和氢原子的吸附是产生超导材料表面涨落磁性噪音的主要来源，为排除噪音源，设计高性能的量子器件打下理论基础。.4.和实验小组合作，深入研究了复杂氧化物材料中的结构-磁性耦合性质。如发现应力作用下发生的LSMO高转变温度，新奇纳米磁结构的形成等。.发表SCI文章12篇， 其中包括PRL两篇，PRX一篇 ，Science 一篇。培养六位研究生，其中一人获得博士学位，一人升为直博生。