单分子磁体的自旋量子输运性质

论文摘要

自旋电子器件的研究一直是与量子计算、存储方向息息相关的领域。单分子磁体由于单轴各向异性和大自旋,已成为用于信息存储、量子计算等的自旋电子器件制备的热门纳米材料。本文基于率方程方法,分别研究了单分子磁体动力学性质,热电效应和隧穿各向异性。讨论了不同隧穿结构下自旋极化输运、自旋翻转、纯自旋流产生和隧穿各向异性磁阻。具体研究内容如下:（1）耦合铁磁电极的单分子磁体（SMM）隧穿结的非平衡量子输运。铁磁电极的磁化方向与SMM易磁化轴是非共线的。在顺序隧穿机制下,自旋极化电流的反作用可以诱导SMM的磁化强度发生翻转。研究发现,铁磁电极和SMM易轴的反平行结构是一种既能够使SMM磁化强度发生翻转,也能够使输运电流的自旋极化改变的有效装置。输运性质对非共线角的依赖为量子操控和自旋极化电子输运提供了有用的信息。（2）在库仑相互作用和外磁场作用下的SMM隧穿结中纯自旋流的产生。无外磁场时,自旋向上和自旋向下的电流关于SMM的初始极化对称。外磁场的存在打破了系统的时间反演对称性,导致了平行和反平行极化下自旋流的不对称性。外磁场既可以改变自旋流的大小也可以改变其极化方向。尤其是,当外磁场增加至一定值时,反平行极化下的自旋流会随着SMM磁化强度的翻转而反转。与单电子隧穿过程相比,电子双占据确实会增强输运电流。然而电子空穴点处的纯自旋流会随库仑相互的增强而受到抑制。我们提出了一种通过外磁场来抵消这种抑制的机制。（3）利用单分子磁体（SMM）二聚体隧穿结耦合金属与铁磁电极,来模拟不同磁序的隧穿各向异性磁阻（TAMR）。无论分子间交换相互作用是铁磁（FM）的,还是反铁磁（AFM）的,铁磁电极与单轴各向异性磁体的易轴间的非共线偏角都会引起隧穿各向异性磁阻,分别称为FM-TAMR和AFM-TAMR。利用电子自旋的自旋相干态表示方法,可用一般的率方程方法来处理顺序隧穿机制下非共线隧穿问题。铁磁TAMR的大小可以由非共线角调节。而隧穿磁阻（TMR）,是铁磁TAMR在θ=π下的一个特例。利用分子磁体的FM二聚体构型,可以获得高达400%的TMR及高极化（79%）的自旋流。AFM二聚体构型中,TAMR与自旋流完全依赖于铁磁电极的极化偏转角。在双分子磁体系统中,普遍存在着Coulomb排斥阻塞和Pauli自旋阻塞,它们对TAMR能够产生明显的影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 量子输运
•     1.1.1 量子输运简介
•     1.1.2 量子输运的理论研究方法
•   1.2 自旋电子学
•     1.2.1 自旋极化的产生
•     1.2.2 自旋弛豫及其机制
•   1.3 单分子磁体及其自旋量子输运性质
•     1.3.1 单分子磁体
•     1.3.2 单离子磁体中的超精细相互作用及大自旋间相互作用
•     1.3.3 单分子磁体的自旋输运性质及应用
•   1.4 本文概述
• 第二章 率方程方法
•   2.1 密度算符和Liouville方程
•     2.1.1 密度算符和约化密度算符
•     2.1.2 密度算符的运动方程:Liouville方程
•   2.2 弛豫过程的不可逆性
•     2.2.1 Born近似和Markoff近似
•     2.2.2 时间关联函数
•   2.3 弛豫方程:Pauli率方程的导出
•     2.3.1 久期近似
•     2.3.2 率方程的导出
•   2.4 电流公式
• 第三章 单分子磁体的动力学性质
•   3.1 引言
•   3.2 理论模型及公式
•   3.3 数值结果及讨论
•     3.3.1 磁化强度及门电压的选取
•     3.3.2 本征能级和本征态
•     3.3.3 共线隧穿结
•     3.3.4 非共线隧穿结
•   3.4 本章小结
• 第四章 单分子磁体的热电性质
•   4.1 引言
•   4.2 理论模型及公式
•   4.3 数值结果及讨论
•     4.3.1 单电子输运下的纯自旋流
•     4.3.2 库仑相互作用和温度对纯自旋流的影响
•     4.3.3 外磁场对纯自旋流的调制
•   4.4 本章小结
• 第五章 单分子磁体的各向异性
•   5.1 引言
•   5.2 模型及哈密顿量
•   5.3 二聚体结隧穿电子的率方程方法
•   5.4 输运电流和隧穿各向异性磁阻
•     5.4.1 铁磁隧穿各向异性磁阻
•     5.4.2 反铁磁隧穿各向异性磁阻
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 个人简况及联系方式

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张超

导师: 梁九卿

关键词: 单分子磁体,量子输运,自旋极化,自旋翻转,隧穿各向异性磁阻

来源: 山西大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山西大学

分类号: O469

DOI: 10.27284/d.cnki.gsxiu.2019.001517

总页数: 122

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