Spin-Seebeck效应中多自由度耦合的非平衡动力学研究

It is very important that the non-equilibrium dynamical process with Muti-Degree-of-Freedom in the Spin-Seebeck effect of magnetic crystals. Nevertheless, it is very difficult that the study of the distributions of non-equilibrium electrons, phonons and magnons. To the author's knowledge, there are no general solutions for the basic problems of non-equilibrium concept and statistics, at least for now. The aim of this project is to study the non-equilibrium dynamics and statistics of the Spin-Seebeck effect with the temperature spectrum-statistic method. The project will be studied with two technical routes: One is to consider the couplings with phenomenological models; the other technical route is to consider the couplings with microscopic models. The Hamiltonian of the couplings of the phonons and magnons, the magnons and metal electrons, the phonons and electrons are to be studied. The density of states modified by the redistribution of temperatures and the energy current between various subsystems are to be studied with the current conservation equation. Finally, the spin current of the magnetic lattice and the spin “injection” from the magnetic lattice to the normal metal are to be studied. This study may reveal the rules and mechanisms of the magnon-phonon coupling on the Spin-Seebeck effect, and may provide non-equilibrium theorems on micro-nano-scales for Spintronics. At last but not least, may provide a theoretical guidance for the design of Spintronic devices.

在磁性晶体的Spin-Seebeck效应中，多自由度耦合的非平衡动力学过程起着非常重要的作用，但计算非平衡电子、声子和磁振子的分布是一个非常困难的任务，主要问题在于非平衡概念和非平衡统计的基础性问题尚没有一般的解决方案。本项目拟通过引入温态统计方法对磁性晶格的Spin-Seebeck效应中的多自由度耦合的非平衡动力学进行研究，以揭示该效应的动力学和统计力学机制。项目通过Spin-Seebeck效应中磁振子-声子，磁振子-电子耦合的唯象模型和磁振子系统、声子系统和正常金属电子及其耦合作用的微观模型，对声子和磁振子在磁性晶格中的热流和自旋流的进行系统研究，从而揭示磁性晶格对正常金属的“自旋注入”自旋流的物理机制。本研究将为微纳尺度下的非平衡自旋电子学提供有益的理论探索，为加深非平衡动力学和非平衡统计的物理理解提供思路，也可对相关器件的设计提供理论指导。

Spin-Seebeck效应因其在“自旋马达”和热电领域潜在的应用前景，正成为目前自旋电子学领域的一个研究热点。萧江等使用线性响应理论成功解释了Spin-Seebeck效应的一般特征。然而，该理论所估算的磁-声耦合特征长度$\lambda$，却远高于实验测量结果。部分研究者认为长波磁振子的温度分布可能与短波磁振子不同，并对磁性晶格对正常金属的“自旋注入”起主要作用。本项目考察了这一非平衡稳态系统及其子系统的动力学和统计力学性质。研究成果归结如下：（1）建立了以非热平衡系统的能态分布函数来求解其吉布斯温谱函数的非热平衡系统的温态统计方法。（2）通过建立以声子在某处的通过率来确定其等效局域温度的唯象模型，对一维晶格声子在微纳米尺寸样品中的自洽温度分布、热流和热导率的频谱依赖性质和尺寸效应进行了研究。研究发现，边界上温度的突然下降和声子的平均自由程与晶格尺寸的比较有关（$l/(2l+L)$, $l$ 为声子的平均自由程, $L$为晶格长度），且正比于两个热源的温差。对热导率的分析表明，在晶格尺寸极大和极小两种极限下，热阻$1/kappa$与晶格尺寸倒数$1/L$成正比，这与分子动力学经验公式相符合，但其斜率在这两种极限下却不同。（3）通过交换紧缩效应给出了磁-声耦合的哈密顿量、Cherenkov跃迁通道、动力学跃迁过程、磁振子跃迁概率及其寿命、磁振子系统的温度分布。结果表明，长波磁振子相比短波磁振子拥有和声子更大的温差，即长波磁振子对Spin-Seebeck效应起关键作用。(4)基于两体碰撞模型，利用微观动理学理论研究了一个粒子在稀薄气体中运动时源于背景分子碰撞的平均阻力，给出了全速度空间适用的解析结果。该理论研究支持了赵鸿研究组关于小尺寸布朗粒子斯托克斯-爱因斯坦关系不成立的报道。本研究对微纳尺度下的非平衡自旋电子学提供了有益的理论探索，加深了非平衡动力学和非平衡统计的物理理解，为（准）粒子的非平衡弛豫过程提供了参考。