金属磁性材料的拓扑结构与电磁性能

This project will systematically investigate the relation between topological, magnetic and other physical properties of metallic magnetic materials. The purposes of this project are to design novel metallic magnetic materials with different topological structures, and to study the effect of winding numbers, topologic invariants and topologic phase factors on magnetic, electromagnetic and transport properties of the metallic magnetic materials. We will study the spontaneous spin topologic structure in metal films, multilayers, nanodots (or nanodiscs, nanoparticles, etc) with different nanostructures. By inspecting the competition between different energies, we will study the topologic ground states, excitation states and metastable states in these materials. We will investigate the phase transitions between different spin topologic structures and the effect of temperature and magnetic field on the spin topologic structures in these metallic magnetic materials. We will study also the dynamic behaviors of spin topologic structures in magnetic fields of different types. We will analyze the topologic behaviors of magnetic domains in nanostructured materials, and their relations with magnetic and electromagnetic properties. We hope to realize the controlling of magnetic, electromagnetic and transport properties of the metallic magnetic materials by adjusting the topologic structures and the spin topologic structures. We will try to establish the relations between the topologic effect in other physical systems, and understand physical mechanisms of topologic effects from an unique point of view.

本项目深入研究拓扑学与金属磁性材料的磁性以及其它物理性能的关系，探索和设计新型具有不同拓扑结构的金属磁性材料，研究拓扑绕数、拓扑不变量、拓扑相因子等对金属材料磁性、电磁性能和输运性质的影响。研究金属薄膜、多层膜、纳米点（以及纳米盘、颗粒等）不同纳米结构中存在的自发自旋拓扑结构，通过研究不同的能量之间的竞争关系，研究其中存在的拓扑基态、激发态和亚稳态。研究金属磁性材料中不同自旋拓扑结构之间的相变。研究温度、外磁场等对自旋拓扑结构的影响。研究不同类型的磁场下自旋拓扑结构变化的动力学行为。研究不同纳米结构中的磁畴结构的拓扑性质，并分析它们与宏观磁性以及电磁性能的关联。通过调控材料的拓扑结构和自旋拓扑结构实现对金属磁性材料的磁性、电磁性能和输运性质的调控。建立与其它体系中拓扑效应的联系，从比较统一的角度深入理解拓扑效应的物理机制。

拓扑学与代数、几何一样是一门基础性的学科。拓扑学是近代发展起来的一个研究连续性现象的数学分支。主要研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性质和不变量。拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密。在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献。本项目在磁性拓扑结构的调控、拓扑（晶体）绝缘体的输运性质和拓扑相变、磁性体系的拓扑结构调制电磁性质、自旋-轨道耦合对拓扑相变的影响、低维材料的量子隧穿效应和电调控磁性原型器件、三维伊辛模型精确解等方面开展研究工作。深入研究拓扑学与金属磁性材料的磁性以及其它物理性能的关系，探索和设计新型具有不同拓扑结构的金属磁性材料，研究拓扑绕数、拓扑不变量、拓扑相因子等对金属材料磁性、电磁性能和输运性质的影响。研究不同纳米结构中存在的自发自旋拓扑结构，通过研究不同的能量之间的竞争关系，研究其中存在的拓扑基态、激发态和亚稳态。研究不同自旋拓扑结构之间的相变。研究温度、外磁场等对自旋拓扑结构的影响。研究不同纳米结构中的磁畴结构的拓扑性质，并分析它们与宏观磁性以及电磁性能的关联。通过调控材料的拓扑结构实现对金属磁性材料的磁性、电磁性能和输运性质的调控。在磁性拓扑结构的动力学行为和共振激发、Kagome磁体中的多拓扑态宽温区磁性斯格明子、拓扑（晶体）绝缘体的线性磁电阻和光伏效应以及拓扑相变、磁性体系的拓扑结构调制电磁性质、自旋-轨道耦合对费米和玻色体系的拓扑相变的影响、原子厚度硫化钼隧穿晶体管中的双极可调整流特性、二维本征铁磁性半导体的电荷与自旋的双重双极全电操控、三维伊辛模型中的非局域效应研究以及克利福德代数方法等方面取得系统的创新性研究成果。在Nature Nanotechnology, Nature Commun., Adv. Mater. , Nano Letter, Physical Review Letters/A/B, Scientific Report, Appl. Phys. Lett.等国际学术刊物发表论文116篇。本项目建立与其它体系中拓扑效应的联系，从比较统一的角度深入理解拓扑效应的物理机制。对系统地理解拓扑结构与磁性材料的磁性、电磁性能和输运性质的关系，对阐明不同的拓扑结构对物理性质的影响机制有重要的指导意义。