自旋轨道力矩效应的第一性原理计算研究

Enormous novel phenomena emerge when spin-orbit coupling effect is present in magnetic nanostructures, including the voltage controlled magnetic anisotropy, spin-orbit torque (SOT), spin-charge conversion, spin-hall magneto-resistance, etc. Among them, the spin-orbit torque which originates from the interaction between non-equilibrium spin density and local magnetic moment plays the key role in spin-orbitronics.. .Recent experiments show sizable SOT in heavy metal/ferromagnetic metal (FM) bilayer structure and even larger SOT in topological insulator/FM bilayer structure. However the physical origin of spin-orbit torque is remaining controversial. It is not clear if the SOT originates from the Rashba bands, or from the surface/interface inversion symmetry breaking or from the spin-hall effect in heavy metal/FM bilayers. The thorough and quantitative first-principles calculations are thus very demanding...In this project we will focus on the first-principles calculations of spin-orbit torque on selected magnetic multilayer structures including magnetic tunnel junctions and strong spin-orbit coupling/FM bilayer structures. Different computational techniques including non-equilibrium Green’s function method and Kubo linear response theory will be used to calculate the SOT. Through this project we expect to give clear understanding on the main physical mechanism of SOT. We may be able to design different magnetic nanostructures with efficient and enhanced SOT. We believe the research carried on in this project will pave the progress of SOT in spintronics and have potential applications for next-generation low power consumption spintronic devices.

当磁性纳米结构中存在显著自旋轨道耦合效应时，有许多新颖的物理现象发生，如自旋轨道力矩效应、电压控制的磁各向异性、自旋流-电流的相互转化等，其中自旋轨道力矩效应具有重要的基础科学研究意义和实用价值。最近在重金属/磁性金属、拓扑绝缘体/磁性金属双层膜结构中观测到了可观的自旋轨道力矩效应，但其中的物理机制尚不清楚，存有较大争议。.本项目将利用基于非平衡格林函数以及Kubo线性响应理论的第一性原理计算方法，系统深入地研究磁性隧道结以及强自旋轨道耦合材料/磁性材料双层膜结构中的自旋轨道力矩效应。通过本项目的实施，拟开发探索出一套定量计算自旋轨道力矩的第一性原理计算方法，深入理解磁性纳米多层膜中的自旋轨道力矩的产生、控制物理机制，解决和澄清一些争议物理问题，并通过计算设计出一至两种能有效产生自旋轨道力矩的材料结构，可适用于高性能的自旋电子学器件。

对磁性多层膜结构中的磁序进行有效电学调控和检测，是当前自旋电子学研究的核心内容之一。本项目的课题“自旋轨道力矩效应的第一性原理计算研究 ”目的是利用理论计算，深入理解电流对磁矩的调控机理。在本项目的实施过程中，我们不仅主要研究了反铁磁材料中的自旋轨道力矩效应，并且结合了最新的研究进展，研究了“电压的力矩效应”即电压控制的磁各向异性，以及新型磁电阻效应，用以检测磁矩的变化。本项目的研究工作，探索了典型磁性多层膜结构的磁序的调控与检测，为其应用在下一代高速、低功耗、高密度的自旋电子学器件做出了有益的理论探索。..在本项目中，我们主要开展了以下几方面的研究工作:.(1)和实验课题组合作研究了反铁磁材料包括反铁磁金属Mn2Au、反铁磁绝缘体NiO，在电流驱动下的自旋轨道力矩效应。我们发现当施加的电流密度为10^6-10^7A/cm^2 时，反铁磁材料中的Néel矢量可以发生旋转。..(2)研究了电压或电场对典型磁性薄膜的磁矩的调控作用。通过第一性原理计算我们研究了不同4d和5d过渡金属插层对Fe/MgO界面的磁晶各向异性及其电压控制的磁晶各向异性。我们发现Pt金属插层能显著增加Fe/MgO的界面垂直磁各向异性（高达11 mJ/m^2）。以Os和Re为金属插层的Fe/MgO界面不仅具有较大的垂直磁晶各向异性，并且与Fe/MgO界面相比具有更大的电压控制磁各向异性参数(VCMA)。我们还研究了典型L10相反铁磁薄膜MnPt的电压控制磁晶各向异性，发现在某些厚度时，可以仅利用电压实现其奈尔矢量的旋转。..(3)研究了一类新型基于磁结构相变的磁电阻结构。建立了结构为 “磁结构相变电极/隧穿势垒/对电极”的磁相变隧穿磁电阻效应。我们分别计算了以磁相变材料FeRh和Mn3Pt为金属电极的磁性隧道结的自旋输运性质，发现其磁相变磁电阻可高达百分之几百。..(4)研究了基于范德瓦尔斯型磁性异质结的磁电阻效应。通过理论计算我们研究了，Fe3GeTe2/石墨烯/Fe3GeTe2等范德瓦尔斯型磁性隧道结的输运性质，发现这类隧道结的磁电阻可高达百分之几千，其巨大的磁电阻效应主要来源于电极的能带结构。进一步我们还研究了以铁电In2Se3为势垒的多铁型磁性隧道结，证实了其具有与磁化状态、铁电极化状态关联的多重电阻态。