First-principles Study on Origins of the Giant Rashba Effect at Surfaces/Interfaces

表面/界面巨拉什巴效应起源的第一性原理研究

基本信息

批准号：
18J21257
负责人：
山口直也
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今年度はラシュバ係数の説明変数としてラシュババンドに対する局在長及びWannier中心が利用できるか調べるための網羅的な計算を行うために、本研究で利用している第一原理電子状態計算コードOpenMXにジョブ管理ソフトであるOACISを接続するインターフェースの開発を行った。また、電場下でのラシュババンドの振る舞いに関して、特に電場制御性の観点から多面的に調べるために、前年度に開発した電場印加の計算コードを発展させ、電場下での原子に働く力の計算コードをOpenMXに追加したことで電子誘電率、静的誘電率、有効電荷などの誘電特性の評価が可能となり、それらとの関係について調べることが可能になった。高並列での応用計算ではメモリ不足の問題が生じたため、メモリ使用を効率化するようにコードを改良し十分応用計算が可能な水準に達した。ラシュババンドの解析を精細に行うには、エネルギー固有値を様々な波数（k点）に対して計算する必要があるが、前述の電場印加の方法で直接取り扱うとk点数が過大になる問題があるため、少数のk点を考慮した電場印加計算から得られた電子密度から任意のk点でのエネルギー固有値を見積もる方法を開発し、その有効性を検証した。本研究から得られた成果を近日中に論文として物理系学術雑誌に投稿する予定である。また、前年度から引き続いて参画している2件の実験グループとの共同研究において、Bi2O3/銅界面における光誘起スピン流-電流変換（成果はPhysical Review Lettersに掲載）、フタロシアニン/銅界面におけるスピン流-電流変換（成果はNano Lettersに掲載）に関して、第一原理計算による電子状態の解析を行い理論的に裏付けた。前年度において効率化されたスピンテクスチャ計算プログラムはOpenMX 3.9版に収録されて公開され、線欠陥のある遷移金属ダイカルコゲナイド単層での永久スピン螺旋に関する共同研究に活用され、その成果はPhysical Review Bに掲載された。

今年，为了进行综合计算，研究Rashba带的定位长度和Wannier中心是否可以作为Rashba系数的解释变量，我们将为OpenMX创建一个作业，OpenMX是用于从头开始的电子结构计算代码。本次研究我们开发了一个连接管理软件OACIS的接口。此外，为了从多方面的角度，特别是从电场可控性的角度研究Rashba带在电场下的行为，我们开发了前一年开发的电场应用计算代码，并创建了计算电场下作用于原子的力的代码通过将其添加到 OpenMX，可以评估介电特性，例如电子介电常数、静态介电常数和有效电荷，并研究它们之间的关系。由于高度并行应用计算存在内存不足的问题，因此对代码进行了改进，使内存使用更加高效，达到了足够应用计算的水平。为了对Rashba带进行精确分析，需要计算各种波数（k点）的能量特征值，但如果直接使用上述施加电场的方法进行处理，则有针对k点数量过多的问题，我们提出了一种根据少量k点的电场计算得到的电子密度来估计任意k点能量特征值的方法，并验证了其有效性。我们计划在不久的将来将这项研究的结果作为论文提交给物理相关的学术期刊。此外，在与去年继续参与的两个实验组的联合研究中，我们进行了Bi2O3/铜界面处的光致自旋电流-电流转换的研究（结果发表在Physical Review Letters上），以及自旋关于酞菁/铜界面处的诱导自旋（结果发表在 Nano Letters 上），我们使用第一原理计算分析了电子态并提供了理论支持。去年精简的自旋织构计算程序发布在OpenMX 3.9版本中，并用于联合研究具有线缺陷的过渡金属二硫族化物单分子层中的永久自旋螺旋，结果发表在Physical Review B中。