自旋轨道矩驱动下磁矩动力学的多尺度模拟

Spin-orbit torque (SOT) is the new technique to control magnetization dynamics in nanoscale based on the spin-orbit coupling interaction, which has important application potential in developing and designing novel spintronics devices. Although much progress has been made to understand the SOT and the resulting magnetization dynamics, there are still many unsolved questions in this rapidly developing field. In this project, we plan to exploit the theoretical methods and calculation techniques including micromagnetic simulation, non-equilibrium statistical approaches, first principle calculations etc. to study the magnetization dynamics driven by SOT in multi-scales, understand the physics mechanism here and build up the related physics pictures. Especially, we will study the classical and quantum dynamics of the magnetic topological defect structures and spin wave controlled by SOT, understand the corrections to the magnetization dynamics due to quantum effects, and study the impact of the materials and configurations on SOT and magnetization dynamics, which can provide further theoretical analysis and guidance to improve and optimize the performance of SOT-based spintronics devices.

自旋轨道矩是基于自旋轨道耦合作用来操控纳米尺度磁矩动力学的新技术，对发展和设计新型自旋电子学器件有着重要的应用前景。尽管对自旋轨道矩及其导致的磁矩动力学的理解已经取得了许多进展，这一迅速发展的领域中仍然存在许多没有解决的问题。本项目拟采用包括微磁学模拟、非平衡量子统计方法、第一性原理计算等理论方法与计算技术，从多个尺度上对自旋轨道矩驱动下磁矩的动力学进行研究，理解其中的物理机理并建立起相关的物理图像。特别地，我们将研究磁性拓扑缺陷结构与自旋波在自旋轨道矩操控下的经典与量子动力学，理解量子效应对磁矩动力学的修正，并研究材料与构型对自旋轨道矩及磁矩动力学的影响，为提高和优化基于自旋轨道矩的自旋电子学器件的性能提供进一步的理论分析与指导。

包括自旋轨道矩在内的自旋转移矩效应可用来操控磁性材料中的磁矩动力学过程，是设计与发展多种自旋电子学器件的重要物理基础。本项目的主要研究内容与结果包括：(a) 基于微磁学模拟方法，研究了手性铁磁薄膜在自旋轨道矩作用下的动力学过程，发现了一种连续产生斯格明子的物理机制，理解了空间调制Dzyaloshinskii–Moriya作用下的斯格明子霍尔效应；(b) 研究了孤立斯格明子与斯格明子周期阵列的静磁场分布，并提出了基于手性铁磁薄膜设计冷原子磁势阱与磁晶格的理论方案；(c) 采用量子轨迹方法，计算了自旋转移矩纳米振子的功率谱密度，揭示了磁矩的量子涨落与相对线宽的关系；(d) 采用第一性原理方法，计算了多种磁性材料的物理性质，研究了二维铁磁/反铁磁异质结中的偏置交换现象与原子构型的关系等。这些结果从多尺度模拟的角度，加深了对磁矩非平衡动力学过程、手性铁磁薄膜与冷原子的相互作用、原子构型对磁学性质的影响等问题的理解，为基于磁性材料设计自旋电子学器件与原子器件提供了基础，对发展相应的量子技术与信息产业具有重要的意义。