磁性系统中多自由度的耦合效应及非平衡动力学的研究

摘要

自旋电子学是当前物理学研究的热点之一。通过施加外电场或温度梯度场实现对磁性系统自旋自由度的操纵和调制，是多铁性自旋电子学领域极具理论价值和应用前景的研究方向。考虑磁性系统中自旋、轨道、电荷以及晶格等多种物理自由度之间的相互作用，在涨落或外场驱动下，各自由度子系统将随之演化。若其某一子系统所受到的外来直接扰动相比于其内部耦合能量可以看作微扰，则该子系统将在此扰动之下绝热变化。扰动不能看作微扰时，对应着非平衡动力学过程和非平衡的热力学过程（从时间响应的角度看，子系统对扰动的时间响应是非绝热的；从空间响应的角度来看，涨落在空间分布上是非均匀的，对应着非平衡的热力学）。自旋电子器件“超快”的读写和处理要求，使得磁性系统非绝热、非平衡的动力学和热力学演化成为一个越来越不可回避的物理问题。本论文通过对磁性材料中磁电和磁声耦合微观物理机制的分析，重点研究了自旋自由度在电场和温度梯度场驱动下的非平衡动力学演化和非平衡热力学分布。
　　第一部分研究了铁磁/铁电复合体系的磁电耦合机制及其动力学行为，分别讨论了磁电耦合所诱导的绝热动力学和非绝热动力学的响应行为。第二章基于自旋极化电子的屏蔽效应和晶格形变为中介的磁电耦合机制，研究了BTO/Fe界面上磁化强度 M对外电场 E的绝热动力学响应。研究发现，这两类磁电相互作用均可诱导铁磁系统对外电场的动力学反馈。其主要表现有：1.它们都适合于高频反馈但不能扩展于整个铁磁系统；2.界面应变效应与晶格声子相关，该磁电耦合的反应时间在皮秒量级，拥有较快的响应速度；3.自旋极化电荷的屏蔽效应所产生的动力学反馈只在磁电耦合强度超过1s/F时才比较显著，该反馈沿着铁磁/铁电链的方向。第三章讨论了铁磁/铁电界面附近自旋的非绝热激发对磁电耦合效应的影响。理论分析表明：非零的垂直电极化将诱发铁磁体内低能的相干自旋波激发，在铁磁表面附近将形成具有特定手征对称性的螺旋磁序，因而获得了强耦合的直接线性磁电相互作用。基于上述磁电耦合效应，可实现完全电场控制的GHz磁化强度动力学进动及弛豫。该工作所揭示的现象必将为电场控制的超低能耗磁性随机存储元件、微型化天线、电光调制器等新型自旋电子学功能器件提供基础理论储备和支持。
　　第二部分研究了一维磁性晶格中声子系统和磁振子系统的多体耦合动力学及其基于非平衡统计的输运行为，并对非平衡统计的一般行为进行了研究，初步建立了一种非平衡系统的统计方法－温谱统计法。第四章基于微扰跃迁理论，研究了一维磁性晶格中磁振子－声子耦合所导致的非平衡Cherenkov过程。将动量和能量守恒作为约束条件，通过考查磁振子－声子耦合的磁致紧缩效应，发现其磁声耦合强度、Cherenkov跃迁通道、磁振子跃迁几率及弛豫时间均是频谱依赖的，室温下长波磁振子的跃迁几率（自能）和迟豫时间分别与 k2和k4成正比。另外还发现磁振子－声子系统之间的弛豫时间的倒数1/τmp在高温时(T>70K)与温度线性依赖。最后，利用SW模型计算了一维磁性晶格中不同波矢磁振子的温度分布，发现长波磁振子存在差异化的温度分布，计算了其临界波矢，作为例子估计了YIG的临界波矢约为0.066π/a。第五章讨论了非热平衡系统的统计行为。通过吉布斯分布（正则分布）的正交归一特性和吉布斯判据（若子系统的分布权重满足吉布斯分布则该子系统处于热平衡），建立了一种非平衡热力学系统的统计方法－温态统计方法。通过在相空间中引入统计权重，给出了非热平衡系统的统计参量——温态和温态密度。有别于传统温度测量的热平衡假设，将介观、微观系统中温度测量原理建立在了非平衡统计的基础上，提出了以子系统的统计权重界定系统统计状态的非平衡温度测量方案；根据子系统的能态统计权重一般求解了其温态和温态权重。作为例子探讨了自由程无限长一维声子系统的温度密度函数。第六章对本论文进行了总结，并展望了下一步的研究工作。

目录

声明

第一章 引言

1.1 非平衡动力学介?

1.2 磁性系统中的自由度及其耦合机制

1.3 论文的????

第二章 复合多铁系统对外场的绝热响应及其动力学过程

2.1 复合多铁材料及其磁电耦合机制

2.2 理论模型

2.3 铁磁/铁电?质界面上磁电耦合及其绝热动力学响应

2.4 本章小结

第三章 铁电/铁磁界面上的磁电耦合新机制与其非平衡动力学过程

3.1 自旋的界面螺旋?布

3.2 磁场所导致的铁磁界面上的自旋极化

3.3 界面上的动力学效应

3.4 本章小结

第四章 磁性晶体上的非平衡 Cherenkov 过程及其迟豫

4.1 Spin-Seebeck 效应及其研究现状

4.2 磁振子－声子系统的??亵量

4.3 磁振子跃迁

4.4 磁振子－声子系统的迟豫

4.5 SW 模型с长波磁振子的温度分布

4.6 本章小节

第五章 温态统计法

5.2 吉布斯?数的↙交性

5.3 统计权重及其吉布斯?数分?

5.4 热平衡系统与非热平衡系统的吉布斯判别方法

5.5 温态权重和温态权重?度?数的求?

5.6 两端温度固定的自由程??长一维声子系统的温态

5.7 本章小节

第六章 总结与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢