石墨烯带中自旋转矩与磁矩动力学的第一性原理计算

In this project, we will study the current-induced spin transfer torque of magnetic edge states with noncollinear magnetization in graphene nanoribbons. Moreover, we will use the first-pricinples calculated spin transfer torque to investigate the current-induced domain wall motion of magnetic edge states in graphene nanoribbons by Landau-Lifshitz-Gilbert equation. We will modify the existing codes of the tranditional LMTO-ASA method which usually applied to the systems in three dimension and make it suitable for calculating the electronic structure in one dimesion directly. Combining with the rigid potential approximation and spin rotation operator, we can obtain the noncollinear Hamiltonian which is used for describing the transportation of graphene nanoribbons. Further, we will calculate the scattering wave function of the noncollinear Hamiltonian by wave function matching method and obtain the spin transfer torque in noncollinear magnetic edge states of graphene nanoribbons. Substituted the calculated spin transfer torque into Landau-Lifshitz-Gilbert equation, we can obtain the current-induced magnetic domain wall motion of edge states. In this project, the key point is the noncollinear Hamiltonian for graphene nanoribbons and the method of calculating spin transfer torque. In addition, we will explore the phenomena of current-induced domain wall motion in graphene nanoribbons, which consists of critical current, velocity, configuration distortion and the probability of current-induced spin wave modes in graphene nanoribbons.

本项目研究具有非共线磁性边缘态的石墨烯纳米带中，电流诱导自旋转矩的计算方法以及电流推动铁磁序边缘态上磁畴壁位形移动的运动规律。 我们将修改现有的3维体系的LMTO-ASA电子结构计算程序，使其直接应用到1维体系之中，并结合刚性势近似和自旋转动算符得到石墨烯纳米带的非共线哈密顿量矩阵元。利用波函数匹配法计算相应的非共线哈密顿量体系的散射态波函数，进而计算电流诱导的作用在边缘态磁矩上的自旋转矩量子力学期望值。将得到的自旋转矩引入描述磁矩转动的经典动力学方程，数值模拟石墨烯纳米带中铁磁序边缘态磁畴壁位形的运动规律。 本项目研究的重点是非共线哈密顿矩阵的获得以及相应自旋转矩的计算方法。探索石墨烯纳米带上磁畴壁在自旋转矩下的运动规律，包括研究是否存在临界电流，畴壁速度和构型变化，以及是否存在电流诱导自旋波等一系列电流导致的新奇动力学现象。

本项目利用Stuttgart程序包中的紧束缚线性化muffin-tin轨道原子球近似模块获取纳米结构单电子势，结合刚性势近似我们用非共线的散射波函数匹配方法计算电流诱导的自旋转矩，其中非共线的磁矩方向可以绕整体量子轴旋转任意角度。. 首先，利用这个方法，我们研究了Co2MnSi(CMS)/Al/Co2MnSi自旋阀器件的自旋转矩，包括了干净和无序粗糙界面。对于干净界面体系，自旋转矩与磁矩夹角的依赖关系的计算结果显示CoCo/Al界面的角度依赖函数曲线要比MnSi/Al界面的更加偏离对称的正弦函数。这意味着拥有CoCo/Al界面结构的自旋阀有更高的微波发射效率。我们还发现即使界面很粗糙，但是Co2MnSi(CMS)/Al/Co2MnSi自旋阀中的自旋转矩的角度依赖函数仍然非常偏离正弦函数。此外，我们发现尽管干净界面体系中MnSi/Al的自旋转矩大小是CoCo/Al的两倍，但是一旦界面出现无序则自旋转矩大小就近似相等了。我们这一系列结果显示Co2MnSi(CMS)/Al/Co2MnSi自旋阀体系是非常高效的磁存储器件。. 其次，我们还研究了掺了硼元素的CoFe/MgO/CoFe(001)磁性隧道结体系的自旋转矩的角度依赖关系。我们考虑了掺硼元素后三种可能存在的隧道结原子结构，分别是硼替换镁，硼替换氧以及硼进入氧化镁空隙中的情况。我们的计算发现，对于硼替换镁和进入空隙位置的磁隧道结，相应的自旋转矩角度依赖关系函数非常的不对称，大大得偏离了对称的正弦函数。而硼替换氧原子的隧道结则有几乎对称的正弦函数形式的自旋转矩角度依赖关系。另外，当硼原子出现无序结构时，这种不对称的自旋转矩角度依赖关系被抑制而变成对称的正弦函数。我们通过分析发现这种不对称的自旋转矩角度依赖关系来源于由硼原子渗透到氧化镁层而引入的界面共振量子态导致的。我们的这些发现表明掺硼元素的CoFe/Mg-B-O/CoFe(001)隧道结作为自旋转矩振荡器有非常理想的微波发射效率。