【摘 要】
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随着微纳器件的快速发展,电流发热问题越来越严重,只利用电子电荷属性的传统电子器件已经无法满足人们对元器件超低能耗、精确局域化等方面的迫切需求。促使人们研究电子的自旋属性,期望能够整合和利用它们各自的优势开发出新的元器件。传统情况下,我们利用电流产生磁场来控制自旋,电流的热损耗以及磁场的非局域化本质都不利于微纳器件的发展。磁的电控为我们提供了一种可行的方案。多铁性材料中电性和磁性可以共存并且相互耦合
【基金项目】
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国家自然科学;教育部创新团队;;
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随着微纳器件的快速发展,电流发热问题越来越严重,只利用电子电荷属性的传统电子器件已经无法满足人们对元器件超低能耗、精确局域化等方面的迫切需求。促使人们研究电子的自旋属性,期望能够整合和利用它们各自的优势开发出新的元器件。传统情况下,我们利用电流产生磁场来控制自旋,电流的热损耗以及磁场的非局域化本质都不利于微纳器件的发展。磁的电控为我们提供了一种可行的方案。多铁性材料中电性和磁性可以共存并且相互耦合,特别是其中的磁电耦合效应,为利用电场的方式控制磁性提供了可能。此外,器件小型化、低维化以及人造复合系统的发展,使得表界面变得越来越重要。相应地界面磁电耦合效应也成为了一个研究热点。参考多铁系统中的磁电耦合效应,在本论文中,我们从理论上研究了铁磁金属界面和绝缘界面的磁电耦合效应,以及其磁电耦合可能的起源机制。从而得到界面磁电耦合的两种起源机制:铁磁金属界面的自旋屏蔽电荷机制以及绝缘界面的皮尔斯(Peierls)机制。在铁磁金属界面系统中,利用界面处屏蔽电荷诱导的非均匀的自旋结构引入磁电耦合效应。屏蔽电荷诱导的自旋中平行于局域磁矩的绝热部分会给出一个静态的磁电耦合;而始终垂直于局域磁矩的非绝热部分,利用LLBar方程(Landau-Lifshitz-Baryakhtar equation)则给出局域磁矩的动力学演化过程。发现在合适的电场条件下,磁矩能发生翻转。在绝缘界面系统中,在皮尔斯机制下利用内外电场耦合,我们得到了一个动态的磁电耦合效应。在这个线性磁电耦合的作用下,能够获得一个电场依赖的磁导率;并且在一定电场条件下,能够调节磁导率变为负值。另外,如果存在强的磁电耦合以及足够弱的相对介电常数,还可以得到一个负折射率材料。在绝缘界面系统中,反铁磁绝缘界面系统由于相邻局域自旋方向的剧烈变化,使得传导电子自旋即使在绝热近似下也无法与其序参量保持一致,从而使得内电场变得比较复杂。动态磁电耦合系数也不同于铁磁情况的常数,而是含时变化的。最后,需要强调的是:利用磁电耦合得到一个可变的磁导率,这是一个普世的结论。不论系统是绝缘系统、金属系统;界面系统还是块体系统,只要有线性磁电耦合,这些结论都是适用的。
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