基于线性尺度大规模紧束缚理论的层状晶体自旋性质研究

Abstract: The spin properties of layered materials such as half-metalicity, anomalous and spin quantum hall effect, and spin-valley coupling etc, have now attracted a lot of interests for their potential applications in spintronics. The unrevealed effect of the structure deformations of ripples in these layered materials on their spin properties needs a comprehensive investigation before the materials can be practically used. Based on the analysis of the first principles calculations done in small periodic systems, we can construct accurate tight-binding models of these layer materials, on which the linear-ordered large-scale tight-binding simulations will be applied to investigate the influence of the characters of the ripples, their heights, sizes, directions and thermal oscillations on the spin properties of layered materials. The spin relaxation of ferromagnetic or half-metalic layered materials induced by the ripples will be studied. The altering of spectrum and spin splitting made by the ripples will also be investigated and an effect gauge field theory will be constructed for the spatial-dependent spin-orbit couplings modulated by the ripples. We expect that after our investigations a better understanding on the interactions between the deformations of the layered materials and their spin properties, and new methods to manipulate the spins in these materials can be discovered, which can be useful in spintronics. As the systems studied in this project have large sizes close to the real samples, we expect that the project can provide a more accurate guidance for the application of layered materials in spintronics.

层状晶体的自旋特性如半金属性、反常或自旋量子霍尔效应、自旋能谷耦合等是自旋电子学领域的近期焦点，而晶体的结构弯曲对自旋特性的影响则是其实际应用时必须考虑的关键问题。本项目基于周期性小尺寸层状晶体自旋特性的第一性原理分析，建立准确描述弯曲层状晶体电子结构的紧束缚模型；利用线性尺度大规模紧束缚理论研究起伏高度、横向尺寸、应力取向和热振动对大尺度弯曲层状晶体自旋特性的影响，分析起伏形变对磁性或半金属性层状晶体自旋输运造成的新输运机制，探讨起伏形变引起的空间相关的自旋轨道耦合强度对电子能谱、自旋劈裂的改变，创建大范围起伏形变场与电子自旋作用的等效规范场理论。本项目的研究将有助于揭示弯曲层状晶体的电子自旋与其结构畸变之间的作用机制，找到对电子自旋进行量子操控的有效方法。由于项目模拟的尺度更接近系统真实尺寸，可为层状材料在自旋电子学中的实际应用提供精确的理论指导。

层状晶体的自旋特性如半金属性、反常或自旋量子霍尔效应、自旋能谷耦合等是自旋电子学领域的近期焦点。本项目利用第一性原理对层状晶体自旋和磁性特性进行了分析，建立准确描述层状晶体电子结构的紧束缚模型；同时利用开发的高通量计算工具获得了一系列磁性层状材料的新奇电子结构，发现了大量具有磁性基态的层状材料，项目主要目标完成，部分工作还在整理过程中。.项目主要的研究内容和结论包括:1.发现了通过磁性原子的非共线磁结构可以设计出无需强自旋轨道耦合的新奇反常量子霍尔效应体系--层状晶体K0.5RhO2，发现了由Fe原子轨道的强相互作用导致的Fe2O3纳米片中的大能隙量子反常霍尔体系; 2.通过第一性原理计算和紧束缚模型分析，提出了在二维三角晶格上通过简并px+py轨道组合实现抛物线型的能带接触结构，并通过引入自旋轨道耦合作用实现非Dirac电子体系的量子自旋霍尔效应的方案; 3.开发了一些高通量计算工具，曾对含660个成员的材料体系系统搜索了具有目标性能的新材料。此外还通过第一性原理计算研究了层状材料的电化学性质以及一系列新奇的拓扑量子材料。.在项目资助下，本课题组发表基金标注的学术论文12篇，包括PRL 一篇，PRB 四篇，npj Comp. Matt., nano Lett. 和 Ener. Environ. Sci. 各一篇，其中ESI高被引论文2篇，并应邀撰写综述1篇（出版中），合著第一性原理材料计算教材一部。部分成果获得了媒体的专题报导。此外，合作发表未标注本基金的论文多篇，包括Nat.Comm.1篇， APL 2篇， Org. Lett. 1篇。获得日本专利2项。项目开展过程中共培养硕士研究生2名。.课题组成员在项目资金资助下获得了和同行专家进行学术交流的机会，期间也召开了新量子物态学术会议1次。