复杂磁序与关联系统的电子输运性质及计算方法研究

Recently, electronic transport of complex magnetic order systems and correlated systems has become one of frontiers of modern condensed matter physics. However, novel physical mechanisms and effects underlying behind experimental results of electronic transport, such as noncollinear magnetic effect, correlated effect and spin-orbit coupling effect, have not yet clarified too much. On the other hand, since it is needed to include complex magnetic order effect, electron-electron interaction effect and relativistic effect, theoretical studies have lagged behind experimental ones. In this project, we will focus on both properties prediction and method development of complex magnetic order systems and correlated systems. The systems consist of tunneling junction based on transition metal oxide, quantum point contact and noncollinear magnetic surfaces and interfaces. The object is to study how electron-electron interaction effect, spin-orbit coupling effect and noncollinear magnetic effect play a role in electronic transport. As for computational method used in this project, we would like to develop several efficient methods based on our previous experiences in method implementation of noncollinear density functional theory combined with nonequilibrium Green's function. The developed methods will be used to resolve problems of huge computational demand and difficulties in self-consistency convergence, which will largely facilitate the computational studies of electronic transport in complex magnetic order systems and correlated systems.

近年来，复杂磁序与关联电子系统的电子输运研究已成为现代凝聚态物理的前沿研究领域之一。然而，大量实验测量结果所蕴含的新奇物理效应和物理机制，如电子输运中的非共线磁序效应、关联效应和自旋轨道耦合效应，还未得到深入的研究。同时，由于需要同时考虑复杂磁序、电子-电子相互作用与相对论效应，这一类电子输运的理论模拟一直滞后于实验测量。本项目拟从物理机制的揭示与计算方法的改进与发展出发，对复杂磁序与关联电子系统的电子输运进行系统深入的研究。以过渡金属氧化物的隧道结、量子点接触、非共线磁序的表面与界面为对象，研究电子输运中电子-电子关联、自旋轨道耦合与非共线磁序的作用机制。在计算方法上，本项目将基于本课题组在实现非共线磁序的密度泛函/非平衡格林函数方法的基础上，发展有效的理论和方法，解决非共线磁序与关联效应产生的计算量大和自洽收敛困难等问题，为这一方法更为有效地拓展到复杂磁序与关联系统提供必要的经验。

在纳电子器件的制作中，存在一类具有非共线磁序的氧化物或化合物，其拥有的复杂磁序和电子关联效应为其电子输运性能的理论模拟提供了极大的挑战。从物理机制上看，复杂磁序与电子关联效应在电子输运过程中产生新的物理机制和反常物理现象。本项目从物理机制的揭示与计算方法的改进与发展出发，对复杂磁序与关联电子系统的电子输运进行系统深入的研究。考虑到非共线磁序与电子关联效应所带来的计算量大和收敛性困难的问题，我们在密度泛函/非平衡格林函数方法中提出了提高矩阵求逆效率和基于哈密顿量的RMM-DIISK的算法，获得了计算性能上的较大提高。通过对过渡金属氧化物磁隧道结的电子隧穿机制的研究，确认了在这一类系统的电子输运计算中包含电子关联效应与非共线磁序的必要性，并揭示了自旋翻转效应、强电子关联效应下的界面共振态对于电子输运性能的影响，解释了相关的实验结果。通过研究具有非共线磁序的石墨烯纳米带、原子链、量子点接触等多个系统的电子输运行为，揭示了自旋轨道耦合效应和非共线磁序效应所带来的新现象和新机制。本项目所发展的计算方法为非共线磁序和电子关联系统电子输运计算这一领域提供了更多的研究手段，所得到的研究结果对于理解复杂磁序系统的电子输运性能也提供了大量的研究素材。项目的预期研究目标已经完成并取得了超过预期的研究成果，目前发表SCI论文36篇，多篇论文发表在Appl.Phys.Lett.，J.Appl.Phy.，Nanotechnology等知名学术刊物上。与国内外该领域的知名学者进行了多次互访，应邀在国际和国内学术会议上做报告多次。