單分子/原子自旋態探測的掃描隧道譜理論與模擬研究

《單分子/原子自旋態探測的掃描隧道譜理論與模擬研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由張平擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：單分子/原子自旋態探測的掃描隧道譜理論與模擬研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：張平
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

單個自旋的掃描隧道顯微鏡/譜探測是最近幾年來迅速發展起來的新技術。它充分集成了超高真空、高實空間及譜空間分辨、低溫、強磁場等諸多強大功能，因此可以對單自旋態進行精密探測和操控，從而發現新的單量子態效應和套用。本項目擬從多個層面系統開展單自旋態的掃描隧道譜理論和模擬研究。主要包括：掌握和發展計入高階電子關聯散射的掃描隧道譜模擬程式，研究單分子/原子自旋近藤共振的量子阱態效應及磁各向異性效應；發展自旋激發非彈性隧道譜的非平衡格林函式理論，揭示單自旋之間以及單自旋與隧道電子間的磁交換耦合、塞曼劈裂等因素對自旋激發非彈性隧道譜的貢獻；全面闡述電子自旋共振掃描隧道噪聲譜與單自旋信息的關係，揭示電子關聯及自旋間的磁交換耦合對隧道噪聲譜的關鍵影響；研究金屬或絕緣體表面上的單原子自旋的磁各向異性機制，揭示其對非彈性隧道譜及自旋共振噪聲譜的影響。預期這些研究工作將推動我國在單自旋的隧道譜探測領域的實驗進展。

結題摘要

單個自旋的掃描隧道顯微鏡/譜探測是最近幾年來迅速發展起來的新技術。它充分集成了超高真空、高實空間及譜空間分辨、低溫、強磁場等諸多強大功能，因此可以對單自旋態進行精密探測和操控，從而發現新的單量子態效應和套用。本項目針對金屬表面、半導體表面、石墨烯以及拓撲絕緣體表面，從多個層面系統開展了單自旋態的掃描隧道譜理論和模擬研究。研究計畫要點均在項目進行中得到落實，由此產生的後續工作還在繼續。本項目中，我們發展了一套拓撲狄拉克電子的多重散射格林函式理論，用以描述和表征拓撲絕緣體表面態奇異量子散射和共振行為的掃描隧道譜。利用該理論，我們與STM實驗合作者一起研究了拓撲絕緣體表面態的腔量子量子力學，詮釋了實驗上發現的拓撲表面態的量子受限和量子共振現象；首次理論發現了拓撲絕緣體表面態的強自旋-軌道耦合反常磁振盪行為；首次理論揭示了自旋分辨的拓撲表面態密度的反常AB振盪行為；提出了一個人工可實現的超導接觸下的雙層系統，用來實現拓撲缺陷誘導的分數化電荷激發效應；提出採用拓撲絕緣體電子-空穴雙層異質結系統，利用自旋-軌道耦合和磁交換場作用，可以實現新的量子拓撲相，即激子拓撲絕緣體；提出利用拓撲絕緣體薄膜電子-空穴雙層異質結系統，可能會實現100K溫度量級的高溫激子超流體；利用具有內稟自旋-軌道耦合作用的二維Kagome格子系統，構造了拓撲邊界孤子缺陷，並證明該缺陷可以攜帶分數化電荷激發，並可以實現自旋-電荷分離；構造了應變石墨烯雙層系統，提出採用該系統可實現空間非均勻贗磁場。利用該系統研究了贗磁激子的光吸收譜及超流性質，指出空間非均勻贗磁場下的超流轉變溫度比均勻情況高；與實驗合作者研究揭示了沉積在石墨烯材料上的鹼金屬銫元素形成的超晶格結構及其形成機理；研究單分子磁體與自旋極化電極耦合體系的量子輸運，揭示了Berry相電流阻塞效應；研究揭示了鉛薄膜與磁性單原子相互作用的量子尺寸效應。本項目完成論文30餘篇，其中26篇已發表，吸引了國際同行的高度關注和引用。本項目執行期間，負責人獲得2012年度國家自然科學二等獎1項（第三完成人），並榮獲第9屆于敏數理科學獎。