严鹏

Prof. Dr. Peng Yan

教授,电子科技大学电子科学与工程学院自旋电子理论研究组。欢迎有志从事凝聚态物理、磁性物理或自旋电子学理论研究的同学加入课题组! 课题组办公室: 信息与软件工程学院东206室

yan@uestc.edu.cn
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研究方向

自旋电子学 (Spintronics)与热激发自旋电子学 (Spin caloritronics), 自旋波 (Spin wave), 微磁学与磁动力学 (Magnetization dynamics), 腔量子电动力学 (Cavity quantum electrodynamics), 非平衡态热力学与统计 (Nonequilibrium thermodynamics and statistics), 生物磁性与磁导航(Biomagnetism and navigation)

 

磁振子传递自旋转移力矩

1996年J. SlonczewskiL. Berger各自独立的提出了自旋转移力矩(Spin Transfer Torque)的概念:在铁磁性金属中,自旋极化的传导电子(费米子)与局域磁矩发生相互作用,把自身的自旋角动量转移给局域磁矩,从而引起局域磁矩的运动。两位教授因为该项开创性的工作获得美国物理学会久负盛名的Oliver E. Buckley凝聚态物理学奖,并被认为极有希望获得诺贝尔奖。此后近二十年,基于这一理论,涌现了大量的理论和实验工作,主要集中在研究自旋转移力矩驱动的磁矩翻转和磁畴壁运动。可是,这里面有个瓶颈始终没有克服,那就是在铁磁金属里广泛存在的焦耳发热(Joule Heating)问题。我们预言,作为玻色子的自旋波/磁振子(Magnon)同样能非常有效地通过传递自身的自旋角动量,产生自旋转移力矩效应,并且由于过程当中并不涉及传导电子,从而避免了焦耳发热的问题,尤其适用于铁磁性的绝缘材料。我们考虑的物理机制是这样的:磁振子是量子化的自旋波,是自旋角动量为1的准粒子。以自旋波和磁畴壁的相互作用为例,当自旋波穿过磁畴壁之后,它的自旋角动量从-1变成+1。根据角动量守恒原理,这部分变化的角动量会被磁畴壁吸收,之后,磁畴壁将逆着自旋波传播方向运动,从而在磁性绝缘体里面非常有效地实现自旋转移力矩效应。我们把这种效应命名为磁振子自旋转移力矩(Magnonic Spin Transfer Torque)。

 

                     

 光和磁性物质的强耦合

我们感兴趣的问题是,在共振腔(Cavity)里面,具有量子特性的电磁波/光子(Photon)是如何与单一自旋(Single Spin)和多自旋系统(Spin Ensemble)发生相互作用的。我们在这个问题上已经积累了一些初步的结果。比如,我们看到随着光的频率或者参与相互作用自旋数目的变化,会有一个从弱相互作用到强相互作用的转变,并且在传统的铁磁共振(Ferromagnetic Resonance)的地方会发生谱线的劈裂。我们希望进一步的弄清楚里面的机制,特别是考虑晶格振动,并与自旋泵浦结合之后新的物理现象。

 

    

非平衡稳态的能量再分配原理

非平衡态的热力学与统计理论如今还是物理学的一大难题,许多在平衡态下成立的理论在非平衡态时会失效,一些非常基本的问题长期没有得到根本解决,比如如何定义非平衡态下的温度。我们从研究铁磁绝缘体里面非平衡磁振子的动力学入手,建立了一般性的能量再分配原理,证明非平衡态下磁振子的温度其实是模依赖的,并给出了模依赖温度的定义。我们系统地研究了复杂边界条件和热源构型所起的决定性作用,把局域化和非线性考虑进去,推广了自旋塞贝克理论,为将来非平衡态热力学与统计理论的完成以及热激发自旋电子学的发展提供了关键理论基础。

 


生物磁性,磁导航

自然界有很多生物能够感知地球磁场, 比如帝王蝶, 鲑鱼, 龙虾, 海龟以及迁徙的鸟类等可以利用地磁场做到长途跋涉而不迷路。这种磁感受机制的生物物理起源如今还是一个未解之谜。 2016年北京大学谢灿研究组报道了一种磁受体蛋白Drosophila CG8198 (MagR) [S. Qin et al., Nat. Mater. 15, 217 (2016)。该蛋白通过多聚化组装形成了一个包含40个铁原子, 长度约为24纳米的棒状蛋白质复合物, 就像一根小磁棒具有南北极。然而, 这个结论随后受到了加州理工学院生物与生物工程系Markus Meister的质疑 [M. Meister, Elife 5, e17210 (2016)]。通过估算, Markus Meister指出40个铁原子磁矩与地球磁场(~25-65 μT)的耦合比室温下的热噪声小5个数量级, 因而随机涨落会彻底破坏磁矩的方向, 让磁蛋白失去指南针功能。我们研究发现, 原子尺度下的自旋-机械耦合, 也就是角动量在自旋自由度和刚体转动之间的相互转换, 会让磁蛋白获得很好的室温指南针能力。从随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程出发, 我们的理论计算表明, 考虑自旋-机械耦合之后, 室温下约有65%的磁矩会平行于地磁场的方向排列, 与此同时, MagR内部小磁棒绕自身长轴的转动角频率会达到1011 rad/s。我们的结果为澄清MagR热学性质的争议提供了一条途径, 也将激发人们对原子尺度下自旋-机械耦合研究的广泛兴趣。


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