自旋波的局域化和自旋塞贝克效应

Recently, due to the potential for the application of thermal devices, the spin caloritronics becomes one of the most popular fields in condensed matter physics. However, the origin of one of the branches of the spin caloritronics, the spin Seebeck effect, is still unsolved. In this work, we study the interplay between the spin wave localization and the spin pumping of a classical Heisenberg spin chain connected to the local thermal baths. We first derive an effective formalism for the description of the dynamics of nonequilibrium spin wave. Secondly, we effectively calculate the spin pumping, and show that the absence of localization of spin wave leads to the spin Seebeck effect. Finally, we study the role of the nonlinear effect in spin pumping.

近年来，由于其在未来热电器件中的潜在应用价值，热激发的自旋电子学成为一个热门领域。然而，热激发自旋电子学的自旋塞贝克效应的起源依然充满争议。因此，本项目从微观上去探讨有限温度下自旋波的传播，阐明其相关的规律性并探索自旋波局域化和自旋塞贝克效应的联系。首先，我们首先建立描述自旋波的有效模型，并计算自旋流分布。其次，我们探索自旋波的局域化长度对于自旋塞贝克效应的影响。最后，我们重点关注于非线性对于自旋波本征性质的影响，例如稳态分布和色散关系，并以此为基础进一步研究对自旋塞贝克效应的影响。

由于自旋系统在未来信息产业中具有非常好的潜在应用价值，自旋电子学已经发展成为一个热门的研究领域。其中，通过温度梯度产生自旋流的自旋塞贝克效应是一种被广泛研究的热自旋相互作用。尽管自旋塞贝克效应已经被实验所证实，其起源（尤其是横向自旋塞贝克效应）依然充满了争议。本项目为自旋塞贝克效应的起源提供了理论的支持。我们建立了关于自旋波弱湍流的动力学方程并在方程中考虑无序对自旋波的影响。进而，通过对动力学方程的研究，我们可以计算有限温度下自旋波的激发问题。我们的研究结果表明观测到自旋塞贝克效应的必要条件是自旋波的局域化长度要大于或等于系统尺寸；反之，如果系统的局域化长度小于用于探测自旋波的重金属棒的长度，我们无法观测到该效应。我们的理论结果在一定程度上解释了为什么许多实验无法观察到自旋塞贝克效应。. 同时，为了更好地理解自旋波局域化问题，我们做了一些关于强局域化的研究。首先，我们研究了具有自旋轨道耦合和铁磁耦合的二维电子气的安德森局域化问题并发现一种全新的无序相变的形式。其次，我们同时研究了无序的外尔半金属中外尔点的能级统计问题；该项结果从不同的角度证明外尔点对无序的稳定性以及从外尔半金属到扩散金属的直接相变。再次，我们研究非厄密系统的延展态的能级统计和安德森局域化问题。最后，我们研究了无序的三维二阶拓扑绝缘体的无序相变并确定了该系统的基本相图。. 此外，我们在自旋电子学领域中也扩展了一些相关研究。首先，我们提出一种新型的磁性孤子：扭曲斯格明子。基于这种新型磁性孤子，我们设计出相应的赛道存储器和逻辑运算器件。其次，我们提出一种通过调节系统的增益/耗散系数诱发的铁磁-反铁磁相变；同时，我们揭示出这种相变和系统的宇称-时间反演对称性的联系。再次，我们研究了磁性斯格明子的阵列并发现在该系统中存在拓扑保护的手性和非拓扑保护的非手性的元激发。最后，我们还提出一种在纳米管道上驱动磁性斯格明子的方法。