spin-Seebeck效应诱导自旋流的动力学研究

由温度梯度诱导且控制的自旋流，即spin-Seebeck效应是自旋电子学领域新生的具有重要理论意义与应用价值的前沿课题。实验研究表明其中只存在热致纯自旋流而电流为零。但是，其基本物理模型并没有完善建立，需要理论和实验进一步细致系统的研究。本项目基于铁磁金属、半导体、及绝缘体内spin-Seebeck效应的共有实验特征,提出单体试探波函数，考虑磁散射及自旋-轨道耦合的影响，通过对自旋、声子、与磁振子温度相关输运性质的研究，以及自旋流驱动的局域磁矩、磁畴壁、和自旋旋涡等的热磁动力学的理论分析，深化对热-电-磁耦合机制及其应用的理解和认识。以期澄清spin-Seebeck效应的物理本质,建立Spin Caloritronics的基本微观模型，为后续的研究提供可靠的理论基础。

电荷-自旋-晶格及其伴随的电流-磁结构-温度梯度等多种物理自由度之间的相互作用不但具有深刻的理论研究价值而且具有很高的潜在应用前景。考虑spin-Seebeck效应诱导自旋流驱动的铁磁体中微纳磁性结构的动力学行为, 我们发现局域磁矩将受到一自旋转移力矩的作用。研究表明基于不同的构型,局域磁矩将表现出不同的运动模式:进动或位移。进一步的，通过细致考察双Neel磁畴壁与自旋流之间的交换相互作用：我们揭示了磁畴壁分布依赖的自旋扭矩及其驱动的皮秒超快磁翻转；此外考虑自旋流之间的相干性，磁性散射还将诱导出畴壁依赖的自旋轨道相互作用与畴壁之间的动态磁电耦合效应。考虑基于螺旋磁体的多铁性隧道结 (如 Pt/TbMnO3/SrRuO3)，由于螺旋多铁性材料中自旋分布的特殊空间结构, 系统的磁电输运将受到一拓扑性自旋轨道耦合与线性Rashba类自旋轨道相互作用的共同影响，理论分析表明隧穿磁电阻呈现出C2v的各向异性特征；通过施加偏压我们还可实现对TbMnO3其中磁电耦合与界面Rashba自旋轨道之间相干性的电场调控，进而获得隧穿磁电阻各向异性的大幅提升。此外，通过对室温多铁性的铁电/铁磁系统细致的理论分析揭示：在铁磁/铁电复合界面处，非零的垂直电偶极矩将诱发铁磁体内低能的自旋波激发，从而获得纳米尺度的自旋波相干激发主导的强线性界面磁电效应，实现对磁动力学演化的完全电场控制。实验上我们通过制备的多晶CoZr/PMN-PT复合多铁性薄膜, 给出了电场对等效磁场的线性调控，特别地，FMR的测量发现磁导率通过外加电场的改变可实现从正到负的变化，藉此我们建议了基于铁磁/铁电复合结构的一类新的光学超材料。资助期间相关的研究成果已发表SCI论文12篇。