超越梯度近似的旋量Boltzmann方程及其在自旋电子学中的应用

The usual spinor Boltzmann equation is based on gradient approximation which will be violated when the potential in the system vary rapidly with position or time. We generalize the spinor Boltzmann equation beyond gradient approximation and apply it to study the spintronics. The spin diffusion equation satisfied by the spin accumulation and spin current can be derived from the generalized spinor Boltzmann equation, along with Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) eqution it can be used to study magnitization dynamics of multilayer and domain-wall dynamics diven by a spin-polarized current. Under the assumption of local equilibrium, we expand the spinor distribution function around the local equlibrium distribution in which the temperature can naturally appear, then the thermal current, thermal assisted magnitization dynamics and domain-wall dynamics can be explored. If we expand the spinor Boltzmann distribution function by the Planck constant, we can study the quantum effect in the spin-polarized electronic transport, while the quantum effect in the magnitization dynamics and domain-wall dynamics should be explored by the Block equation, the latter can also be applied to the molecular spintronics.

通常的旋量Boltzmann方程是建立在梯度近似基础之上的，即只适用于系统中的势能随时间空间的变化足够缓慢的情形，我们对其进行了推广，提出了一个超越梯度近似的适用于势能变化比较快的新的旋量Boltzmann方程，并用它来研究自旋电子学问题。我们用此新的旋量Boltzmann方程推导出自旋累积和自旋流所满足的自旋扩散方程，并将它与LLG方程联立来研究电流诱导的磁性多层膜的磁化反转以及磁纳米线的畴壁运动。我们将Boltzmann分布函数在局域平衡近似下展开，将温度引入分布函数，以此来研究体系中的热输运，热辅助的磁化动力学和畴壁动力学。而如果将Boltzmann方程的分布函数用Planck常数做半经典近似展开，则可以研究极化电子输运中的量子效应，对于磁化动力学和畴壁动力学中的量子效应，我们则用量子Bloch方程来研究，此方程可以进一步应用于分子自旋电子学的研究。

旋量Boltzmann方程是研究自旋电子学中自旋极化输运问题的有力工具。然而通常的旋量Boltzmann 方程是建立在梯度近似基础之上的，即只适用于系统中的势能随时间空间变化足够缓慢的情形，我们对其进行了推广，提出了一个超越梯度近似的适用于势能变化比较快的新的旋量Boltzmann 方程，并用它来研究自旋电子学的巨磁电阻效应。我们用此新的旋量 Boltzmann 方程推导出自旋累积和自旋流所满足的自旋扩散方程，并将它与LLG 方程联立来研究电流诱导的磁性多层膜的磁化反转以及磁纳米线的畴壁运动，并且得到了一个新的推广了的自旋转移矩。我们从超越梯度近似的旋量 Boltzmann 方程出发，仿照从经典Boltzmann 方程推导流体力学方程的方法，推导出了广义的旋量形式的热流连续性方程，不仅得到了通常的内能密度和热流密度的统计表达式，而且也得到了新的自旋依赖的热流密度的表达式，这可使我们方便地研究体系中的热输运以及热电耦合效应。在分子自旋电子学的研究中，我们需要考虑分子器件的量子效应，这时再用描述经典磁矩运动的LLG方程描述单分子磁体的自旋动力学就不合适了，我们在体系的Hamiltonian中加入单分子磁体和传导电子之间的s-d交换作用，在平均场近似的基础上，推导出一个包含量子效应的类Heisenberg方程，并将它与描述传导电子的自旋扩散方程联立，研究单分子磁体的自旋反转问题。我们也用ATK软件具体计算了Er的单离子磁体的自旋极化输运问题，并将之与上述旋量Boltzmann 方程的理论结果相互比较，以验证我们理论的正确性。