纳米结构中的广义输运理论

固体中的输运是物理学的一个重要焦点也是现代信息技术的基础。在微加工技术接近技术和量子极限的今天，研究如何从新的自由度方面突破该极限显得尤其重要，因此有必要研究纳米结构中包括电子、磁子、声子等准粒子的电荷、自旋/角动量、能量等物理量的广义输运问题。各准粒子所携带的各物理量的输运相互关联使得某些特殊纳米结构具有特有的性质，例如自旋阀中的巨磁阻和自旋转移效应，这些性质在存储技术上已经开始应用。此外，实现电控制的磁矩晶格动力学可以在通讯技术和纳米机器人技术上有广阔应用前景。同时，研究纳米结构的热输运和电磁声之间的关系可能在太阳能利用方面有所帮助。因此，我们将在以下三个有关方面进行研究：1）统一的输运理论，包括多种驱动力和多种物理量的流及它们的相互依赖关系，2）研究磁矩动力学和晶格动力学对输运现象的影响，3）具体研究各种电-磁、磁-声、热-电等交叉效应的物理机制。

在本项目运行的三年（2011-2013）中，共发表论文8篇，其中PRL 2篇、PRB 4篇、EPL 1篇、JAP 1篇。共被引用47次。其中部分成果包括：.1）我们理论预言电流诱导的自旋转移力矩可以激发磁性绝缘体中的自旋波，并且表面自旋波具有更小的激发阈值电流。我们还预言易轴表面磁各向异性可以诱导一种新的表面自旋波模式，该模式的存在可以降低激发阈值电流并且增强激发功率。相关工作发表在Physical Review Letters 108, 217204 (2012)、Physical Review B 88, 184403 (2013)。.2）我们理论研究了在不具有体自旋霍尔效应的金属中，由两种不同氧化物绝缘体分别覆盖其上下表面的金属薄膜的电输运性质。在这样的系统中我们预言两个新的现象：1）由于界面散射导致的面内自旋霍尔效应；2）由表面Rashba 垂直于面的电荷霍尔效应。该工作提出了可以使用没有体自旋轨道耦合的普通金属如Cu、Al等（而非贵金属：Au、Pt等），通过界面散射实现自旋霍尔效应；同时，与已有的电荷霍尔效应不同（霍尔效应需要磁场，反常霍尔效应需要磁性），在没有磁场或磁性的情况下，也可产生电荷的霍尔效应。相关工作发表在Physical Review B 87, 081407(R) (2013)。.3）我们理论预言了在有外加交变磁场作用下的两个磁性量子点之间的一种新型的类似Ising的自旋耦合机制，该耦合机制的强度可以通过外加交变磁场的强度进行调控。由于这种耦合机制依赖于由外加交变磁场引发的自旋的动力学状态，因此该耦合机制与所有现有的静态耦合机制（如RKKY耦合）有本质的区别。在一般体系中，这种新型的耦合机制与RKKY耦合共存，从而我们可以通过调节这两种机制的相对强度来构造和控制由纠缠Bell态组成的四态系统。本工作发表在Europhysics Letters 104, 17008 (2013)。.4）与德国的实验组合作，我们在磁性绝缘体YIG中验证了自旋塞贝克效应、自旋泵浦效应、自旋霍尔磁阻这三个现象都正比于界面的自旋混合电导，从而验证了这三个看似无关的现象背后共同的物理过程。相关工作发表在：Physical Review Letters 111, 176601 (2013)、Physical Review B 88, 094410 (2013)。