自旋轨道转矩的理论与计算研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61774018
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    67.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0405.半导体器件物理
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Current-induced torque is the key element in spintronics to excite or switch magnetization and is applied for information storage and manipulation in many proposed magnetic devices. Recently, new types of torques driven by an electrical current have been found in the systems containing heavy transition metal elements and can be used to efficiently tune magnetization dynamics. These kinds of torques are believed to result from the relativistic spin-orbit interaction in heavy elements, but the different physical mechanisms that entangle with one another can hardly be separated in experiment. The present theoretical studies in terms of phenomenological models or symmetry analysis, however, can not provide comprehensive and consistent explanation for the reported experimental observations. The incomplete understanding in the current experimental and theoretical researches makes it very difficult to optimize the proposed devices. ..We propose to develop a theoretical method of calculating spin-orbit torques in real magnetic materials with high reliability, predictability and capability of dealing with large diffusive systems, based upon first-principles spin transport without tunable parameters. In this method, we are able to directly describe the real materials at the atomistic level, including alloy disorder, lattice mismatch at interfaces, temperature-induced atomic vibration and magnetization fluctuation. The method can be applicable in two typical magnetic structures, i.e., ferromagnet|nonmagnetic bilayers and magnetic domain walls, where we attempt to calculate the spin-orbit torques quantitatively and their dependence on the interface effects, temperature, impurities, etc. The purpose is to gain a deep understanding of the nature and competing mechanisms of spin-orbit torques in these structures, so that we are able to provide guidance for future experimental studies and development of devices based on the efficient spin-orbit torques.
电流诱导转矩在自旋电子学研究中被用于有效地激发和翻转磁矩。近年来实验发现在包含较重过渡金属材料中,存在新型电流转矩,能够高效率地调制磁化动力学。该转矩被普遍认为源自材料中的强自旋轨道相互作用,但由于其非单一、相互纠缠的物理机制在实验上难以分离,同时现有理论使用唯象模型或者对称性分析均难以全面、自洽地解释实验观测。目前实验和理论研究的困境也使得技术上没有成熟的依据来进行器件的优化。.我们计划发展完善一套可靠的,能够处理较大扩散系统的微观输运理论方法,使用不依赖可调参数的第一原理计算磁性材料中的转矩,对真实材料体系进行原子尺度的直观模拟;应用该方法系统地研究铁磁-非磁双层膜与磁畴壁两类典型磁性体系中自旋轨道转矩,以及对界面、温度和杂质等因素的依赖性,深入理解产生自旋轨道转矩的各种物理机制之间的竞争关系,为该领域的实验研究以及基于电流转矩的器件优化提供参考。

结项摘要

自旋轨道耦合产生的自旋轨道力矩是磁动力学及相关研究中的一个关键问题,所产生的自旋轨道力矩能够驱动磁矩进动,诱导磁化翻转和驱动磁畴壁移动。理论上定量描述自旋轨道力矩以及分辨其微观机制对于优化器件性能是极为重要的。本项目发展了一套基于第一性原理的自旋输运程序,能够计算出自旋霍尔,界面Rashba劈裂等产生的各类自旋轨道力矩效应,为自旋电子学的理论研究和与实验的结合提供了重要的理论方法和工具。应用这套计算程序,研究了多种块体和界面输运性质,包括5d金属的自旋扩散长度和自旋霍尔角,自旋霍尔电导率的温度依赖性,界面自旋记忆损失,界面自旋霍尔效应等实验研究中的关键材料参数,以及磁畴壁中的非共线磁化带来的自旋轨道力矩效应等。在项目进行过程中中进一步把研究内容拓展到与自旋轨道力矩研究相关的反铁磁动力学中的阻尼力矩,各向异性磁电阻的微观机制,激光诱导的超快退磁和太赫兹发射等方面,取得了一系列研究进展,得到了国内外同行的广泛关注和积极评价。累积发表论文24篇,其中物理评论快报3篇,其余物理评论系列杂志15篇。多次受邀在中国物理学会秋季会议,国际磁学会议等做邀请报告。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Recent progress in antiferromagnetic dynamics
反铁磁动力学最新进展
  • DOI:
    10.1209/0295-5075/132/57001
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
    EPL
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    Huaiyang Yuan;Zhe Yuan;Rembert A. Duine;Xiangrong Wang
  • 通讯作者:
    Xiangrong Wang
Spin-Flip Diffusion Length in 5d Transition Metal Elements: A First-Principles Benchmark
5d 过渡金属元素中的自旋翻转扩散长度:第一性原理基准
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.126.196601
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Physical Review Letters
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Nair Rohit S.;Barati Ehsan;Gupta Kriti;Yuan Zhe;Kelly Paul J.
  • 通讯作者:
    Kelly Paul J.
Anisotropic spin relaxation induced by surface spin-orbit effects
表面自旋轨道效应引起的各向异性自旋弛豫
  • DOI:
    10.1103/physrevb.96.094413
  • 发表时间:
    2017-09
  • 期刊:
    PHYSICAL REVIEW B
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Zhou Chao;K;az Fatih;Cai Yunjiao;Qin Chuan;Jia Mengwen;Yuan Zhe;Wu Yizheng;Ji Yi
  • 通讯作者:
    Ji Yi
Isotropic non-local Gilbert damping driven by spin pumping in epitaxial Pd/Fe films on MgO(001) substrates
MgO(001) 衬底上的外延 Pd/Fe 薄膜中自旋泵驱动的各向同性非局部 Gilbert 阻尼
  • DOI:
    10.1088/1367-2630/ab4c8d
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    New Journal of Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Li Y.;Li Y.;Liu Q.;Xie Z. K.;Vetter E.;Yuan Z.;He W.;Liu H. L.;Sun D. L.;Xia K.;Yu W.;Sun Y. B.;Zhao J. J.;Zhang X. Q.;Cheng Z. H.
  • 通讯作者:
    Cheng Z. H.
Spin accumulation and dissipation excited by an ultrafast laser pulse
超快激光脉冲激发的自旋积累和耗散
  • DOI:
    10.1103/physrevb.104.214404
  • 发表时间:
    2021-08
  • 期刊:
    PHYSICAL REVIEW B
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Lu Wen-Tian;Yuan Zhe
  • 通讯作者:
    Yuan Zhe

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水文变异条件下基于Copula函数的非一致性干旱频率分析方法—以鄱阳湖为例
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    许斌;袁喆;孙可可;鄢波
  • 通讯作者:
    鄢波
基于水热平衡的抚河流域地表径流长期预估
  • DOI:
    10.15961/j.jsuese.201700835
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    工程科学与技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    袁喆;许继军;王永强;洪晓峰;周彦辰;陈进
  • 通讯作者:
    陈进
长江流域陆地生态系统NDVI变化特征及其对水热条件的响应
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    长江科学院院报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    袁喆;喻志强;冯兆洋;许继军;尹军;鄢波;雷恒
  • 通讯作者:
    雷恒
气候变化对黄河流域地表水资源量的影响评估
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王永强;刘志明;袁喆;鄢波;李玉娟
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    李玉娟
1961-2011年黄淮海地区极端降水时空变化特征
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    尹军;杨志勇;袁喆;袁勇
  • 通讯作者:
    袁勇

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基于磁性隧道结的概率计算关键算法研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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