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关键词： 团簇   类卤素超原子   磁性超原子   吸附   密度泛函理论  

摘要： 性能各异的原子团簇在磁学、电学和光学等领域具有潜在的应用前景,使原子团簇的设计及性质研究成为近年来的热点领域。在众多金属团簇中,铝团簇因其特殊的物化性质而被广泛研究。其中,最典型的例子是倾向于获得一个额外电子以填充空的2P分子轨道,从而满足闭壳层电子结构的类卤素超原子Al。基于此,科学工作者表征并研究了大量的掺杂铝团簇。但是,目前对于镧系元素掺杂铝团簇的研究鲜见报道。本文采用量子化学方法,理论设计并研究了镧系元素钆掺杂的铝团簇AlGd及其阴离子AlGd。结果显示,AlGd的全局极小值结构为九重态,呈现掺杂原子位于Al骨架底部的二十面体构型。AlGd的全局极小值结构为八重态,其几何骨架与AlGd的全局极小值结构相似。分子轨道分析表明,Gd原子的4f电子倾向于定域在原子轨道上,并且AlGd团簇额外得到的一个电子倾向于填充到1F分子轨道中,由此得到了高稳定性团簇AlGd。此结论揭示了AlGd具有类卤素性质和磁性的根本原因。随后,我们从如下几方面研究了AlGd的类卤素特性:(1)AlGd与(超)碱金属原子形成复合物时倾向于获得一个电子,表现出类似于卤素的性质;(2)两个AlGd单元与碱土金属原子结合可以模拟Ca Cl/Ca Br分子;(3)两个AlGd团簇之间也可以形成类似于Cl的二聚体(AlGd)。根据自然键轨道(Natural Bond Orbital,NBO)分析,AlGd在形成复合物时始终保持自身磁矩,且复合物的磁矩均由Gd原子的4f电子提供。此外,为了揭示磁性超原子AlGd吸附在石墨烯表面的行为,我们研究了吸附体系的结构稳定性、电子性质和磁性。研究表明,吸附在石墨烯表面的AlGd团簇保持了其自身的结构。AlGd团簇和石墨烯之间存在较弱的电荷转移相互作用,其中AlGd团簇在吸附体系中失去电子,而吸附底面则得到电子。这些结论进一步推动了掺杂铝团簇的研究,并且f电子的特殊性以及文中提到的non-Aufbau电子结构为设计新型磁性超原子提供了新方向。

关键词： 光子自旋滤波器   紫外圆偏振光   超构表面   时域有限差分法   几何相位   自旋复用  

摘要： 超构表面可以实现对电磁波的相位、振幅和偏振等特性的精准调控,因此在光学器件领域备受关注。紫外圆偏振光具有调控纳米生物组装体螺旋结构和提高光刻精度等功能,但获取紫外圆偏振光的光学系统存在集成度低和其偏振光纯度不能满足高精度需求等缺点。本文结合超构表面的技术特点和优势,提出了基于双层和单层的超构表面紫外波段光子自旋滤波器的设计方案,利用时域有限差分法对设计的模型及相关参数进行了仿真,并对超构表面调控紫外圆偏振光的机理进行了探讨。首先,介绍了基于超构表面的光子自旋滤波器的概念,总结了基于超构表面的偏振光学器件的特性与优势,分析了超构表面单元结构与偏振光学器件性能之间的调控关系。同时阐述了时域有限差分法的计算原理和基于超构表面的偏振光学器件的设计流程,为后续的仿真设计与分析奠定了基础。其次,依据几何相位原理设计了基于双层超构表面的紫外波段光子自旋滤波器,采用时域有限差分法对工作波长为370 nm和230 nm的光子自旋滤波器进行了仿真。通过调整结构单元的形状和尺寸,得出最优的结构单元参数;通过设计双层超构表面的相位分布,研究了超构表面对紫外光子自旋滤波器性能的影响。仿真结果表明,通过超构表面的结构优化能够实现紫外波段光子自旋滤波器的一体化设计,该设计能够提取出高偏振纯度的期望手性的圆偏振光。结合几何相位原理,对双层超构表面调控入射光的相位和偏振机理进行了探讨。最后,依据自旋复用原理设计了基于单层超构表面的紫外波段光子自旋滤波器,采用时域有限差分法对工作波长为370 nm和230 nm的光子自旋滤波器进行了仿真。通过调整结构单元的形状和尺寸,得出最优的结构单元参数;通过设计单层超构表面的相位分布,研究了超构表面对紫外光子自旋滤波器性能的影响。仿真结果表明,通过超构表面的结构优化能够实现紫外波段光子自旋滤波器的一体化设计,该设计在提取出高偏振纯度的期望手性的圆偏振光基础上,提高了透射率。结合自旋复用原理,对单层超构表面调控入射光的相位和偏振机理进行了探讨。

关键词： 磁共振   自旋流   反铁磁体   自旋输运  

摘要： 磁性材料界面上的自旋进动性质及其与自旋流相互作用,是发展自旋电子学逻辑和存储器件的关键物理问题。基于铁磁材料中众多自旋相关现象,如纯自旋流、自旋霍尔效应、自旋转移力矩、磁电阻、自旋进动等,人们发展了如磁随机存储器和磁性传感器等商业化器件。随着器件小型化的要求日益提高,自旋动力学研究的重要方向有两点:1、磁性材料界面上磁振子和自旋流的激发、探测和操控技术。2、具有太赫兹自旋动力学频率和零杂散场的反铁磁体中自旋进动及与自旋流的相互作用。研究和发展新一代自旋电子学器件存在如下主要问题:1、澄清磁性多层膜之间的层间磁矩耦合性质及磁矩耦合对磁振子的调控特性。2、发展调控铁磁/重金属界面的自旋流输运效率的方法。3、澄清反铁磁体/重金属界面上自旋磁矩与自旋流的相互作用。本文聚焦亚铁磁体YIG和反铁磁体CrCl3/重金属等异质结,重点研究了界面上的磁矩耦合特征、磁振子的激发与探测、磁振子驱动的自旋流输运,澄清了在GGG/YIG/Pt和CrCl3/Pt界面上的自旋相互作用、电荷积累对自旋输运的影响、自旋动力学以及自旋泵浦下的自旋流输运特性,为磁振子及自旋流的调控提供了新方法。主要工作如下:1.我们研究了 GGG/YIG界面上反铁磁耦合引起的YIG中磁振子色散偏移,发展了利用反铁磁耦合我们利用包含反铁磁耦合的磁动力学方程解释了实验观察到的两种共振模式的磁振子相位、色散、强度和线宽信息。基于该理论我们发现反铁磁耦合可以通过提高外磁场或降低温度进一步提高,并得到实验结果的证实。这为调控磁振子信息提供了一种新思路。另外,我们在具有层间反铁磁耦合的范德华反铁磁绝缘体CrCl3中标定了声学共振模式和光学共振模式随子晶格磁矩相对夹角的变化,证实了光学共振模式与代表反铁磁性的奈尔矢量更相关,这与声学模式和铁磁介质中的Kittel模式与净磁矩矢量相关不同。2.我们研究了 YIG/Pt界面上的电荷密度对自旋泵浦、自旋流输运的调控,发现了共振线宽表征的界面自旋混合电导与界面电荷密度之间的线性依赖关系,有助于理解铁磁/重金属界面上的自旋输运。实验中我们利用栅极电压技术和霍尔效应测试来调控和标定纳米厚度Pt薄膜中的电荷密度,在±4V的栅极电压下界面自旋混合电导的变化率可达±22%。通过考虑与栅极电压相关的磁共振阻尼变化、自旋混合电导变化和Pt层电阻变化,我们定量描述了实验探测到的逆自旋霍尔电压强度。基于此我们还发现Pt层中的自旋霍尔角也受电荷密度调控,变化率达到±13.6%。以上结果证实了通过调节铁磁/非磁双层膜界面电荷密度调控界面自旋流的可能性。3.我们研究了 CrCl3/Pt中声学模式和光学模式驱动的自旋流,证实了光学模式驱动的自旋流来自于进动的奈尔矢量。我们分别在平行于和垂直于外磁场的方向探测了由自旋流引起的逆自旋霍尔电压,结果表明自旋流只有平行于外磁场的自旋极化分量。另外我们研究了自旋流强度随子晶格磁矩夹角的变化,我们发现当降低子晶格磁矩相对夹角,使其从反平行状态趋近于平行状态的时候,声学模式的自旋流强度逐渐增加,这是由于声学模式的自旋流是由净磁矩矢量驱动的。而光学模式自旋流强度则随着磁矩夹角降低呈现先增加后减小的趋势,我们证实了是由于光学模式自旋流是由反铁磁中奈尔矢量驱动的,净磁矩矢量不贡献自旋流。以上结果是实验上首次成功探测到由光学模式驱动的自旋流,证实了奈尔矢量在反铁磁动力学中的独特作用。

关键词： 非线性薛定谔方程组   势函数   三次非线性项   质量共振   时间衰减估计  

摘要： 薛定谔方程被认为是量子力学的奠基理论之一,它揭示了微观物理世界物质运动的基本规律.而非线性薛定谔方程作为一种在非线性光学上具有较强应用的典型色散方程,其解的相关性质的研究备受关注.在对非线性薛定谔方程解的相关性质的研究过程中,解的时间衰减估计以及渐近行为等是基本问题,一般借助能量估计、Strichartz估计等方法进行讨论.本文将通过四个部分阐述所做的工作,第一部分,通过介绍非线性薛定谔方程研究的背景、意义以及本文研究的非线性薛定谔方程组的国内外研究现状,系统性的说明所做工作的原因以及目的;第二部分,主要介绍一些基本符号、相关概念以及不等式,为后文的证明提供理论依据;第三部分,也是本文中的重要部分,研究了如下一类带有势函数的二维三次非线性薛定谔方程组的初值问题:上述非线性薛定谔方程组中F1(v1,v2)=|v2|2v2,F2(v1,v2)=|v2|2v1,vj(t,x)是未知的复值函数,这里Δwj=Δ-Wj(x),Wj(x)是R2上的实值函数,vj是vj的复共轭,mj是粒子质量,j=1,2.为了考虑这类特殊的二维三次非线性薛定谔方程组解的时间衰减估计,在势函数Wj(x)满足适当的假设条件时,首先通过压缩映射原理证明解的局部存在性,进而根据局部解的先验估计,证明了整体解的存在性;其次,通过相关引理的证明,利用交换性质,因式分解和调和分析方法进一步分析了解的时间衰减估计;最后得到在初值‖φj(x)‖Hα∩H0,α(1<α<4/3)充分小的情况下,所研究的非线性薛定谔方程组是渐近完备的结论;第四部分,将第三部分中特殊的二维三次非线性薛定谔方程组推广到更为一般化的形式,进而研究了如下带有势函数的二维三次非线性薛定谔方程组的初值问题:上述非线性薛定谔方程组中Fj(v1,…,vh)=∑1≤i≤k≤l≤2h λi,k,ljvivkvl,λi,k,lj∈ C,且存在正数cj使得Im∑j=1hcjFjvj=0,其中ΔWj=Δ-Wj(x),Wj(x)是R2上的实值函数,vj(t,x)是未知的复值函数,vj是vj的复共轭,mj是粒子质量,j=1,2,…,h.通过利用质量共振的性质、薛定谔方程的Strichart①估计、薛定谔算子的性质和局部解的先验估计的方法证明了上述方程组解的整体存在性,分析了解的长时间渐近行为并讨论了方程组的散射问题.

关键词： 有机半导体   自旋电子学   输运特性  

摘要： 电子自旋可以作为信息处理、存储的物理基础，以其为基础建立的自旋电子学是现代科学技术发展的主要驱动力之一。在自旋电子学器件中，远距离的相干自旋输运和长的自旋寿命是实现复杂自旋操控的关键。因此，为了进一步扩展和实现新一代自旋电子学器件，需要开发优良的自旋输运介质。有机半导体由于极弱的自旋轨道耦合和超精细相互作用而被认为具有超长的自旋寿命(超过微秒)，使其成为开发先进自旋电子学应用的理想材料。　　目前，基于有机半导体的自旋电子学研究主要使用一种自旋阀结构，它由非磁性材料夹在两个铁磁金属之间组成。然而，铁磁金属与有机半导体之间电导率不匹配的问题严重抑制了自旋注入过程，进而限制了自旋相关输运现象的探索以及功能性器件的开发。因此，如何在有机半导体中实现高效的自旋注入是有机自旋电子学界亟需解决的关键科学问题。为此，本论文提出了一种尚未在有机自旋电子学中使用的热电子晶体管结构替代传统的自旋阀结构，用于提高自旋注入效率。首先，通过工艺优化制备出热电子晶体管，深入研究器件中的热电子输运特性;在此基础上，引入电子自旋这一自由度，构筑热电子自旋晶体管，研究有机半导体中的自旋相关输运特性。主要的研究内容包括:　　1.通过热电子晶体管研究本体异质结(n/p型半导体的混合薄膜)中电子能级与混合比例的相关性。众所周知，精确地控制有机半导体中用于电荷传输的分子能级(包括最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO))对优化各种电子器件的性能至关重要。然而，与成熟的能够检测HOMO的紫外光电子发射能谱相比，有机半导体中LUMO的精确检测一直是一个长期存在的问题。在本论文中，我们证明了热电子晶体管和微分辅助线性拟合方法可以原位提取有机半导体的LUMO能级信息，精度可达±0.03eV。利用该方法，我们进一步展示了电子输运型聚合物中LUMO的双向可调性(增大以及减小)，调谐范围高达1.1eV。热电子晶体管方法的简单性以及对半导体材料的广泛适用性有利于众多有机电子学课题的开展，包括电子器件中金属/半导体界面工程、有机光伏电池中的能量损失等。　　2.在有机半导体中实现热电子自旋注入。一直以来，有机自旋电子学器件的研究遭受到铁磁金属与有机半导体之间“电导率失配"的困扰。在本论文中，我们设计并制备了Al/Al2O3/铁磁金属/AlOx/有机半导体/铁磁金属结构的热电子自旋晶体管。它允许在不受铁磁金属/分子界面影响的情况下，直接将高度自旋极化的热电子电流注入到有机材料的输运能级中，从而实现高效的自旋注入。研究发现，PC71BM材料在热电子自旋晶体管中展现了超长的自旋输运距离(超过0.5tan)。与此相反，传统的自旋阀几何结构中仅能监测到53nm的自旋输运距离，表明热电子自旋晶体管具有更优异的白旋输运性能。此外，作为多功能性器件的演示，通过在单个器件中耦合自旋输运性质和光伏效应，我们实现了磁阻效应的室温操纵和新的功能特性。本论文提出的自旋极化热电子器件方案为研究自旋相关输运现象和功能性器件开辟了一条新的途径。

关键词： 离散薛定谔方程   变分方法   周期   非周期   基态解  

摘要： 本文主要利用变分方法研究如下离散非线性薛定谔方程的非平凡解的存在性和多重性:其中Δu=u(n+1,n,...,n))+u(n,n+1,...,n))+···+u(n,n,...,n+1))-2mu(n,n,...,n))+u(n-1,n,...,n))+u(n,n-1,...,n))+···+u(n,n,...,n-1))是m维空间上的离散拉普拉斯算子,{ε}是实数列,ω∈R是时间频率,非线性项fn(·):R→R是连续函数,且f(0)=0.本文的主要内容如下:第一章介绍了离散非线性薛定谔方程的研究背景以及研究成果和进展,并阐述了本文主要的研究内容和相关的预备知识.第二章分别考虑了非线性项f(·)在无穷远处呈超线性和渐近线性增长情形时,在对f(·)给予更弱的假设下,通过广义环绕定理和集中紧性原理得到m维无穷格点上的周期离散非线性薛定谔方程基态解的存在性.第三章在局部超二次增长条件下,研究了m=1维无穷格点上的周期离散非线性薛定谔方程,得到了方程基态解的存在性和无穷多个几何结构不同的解的存在性.第四章用Morse理论研究了不同非线性项下的m=1维无穷格点上的非周期离散非线性薛定谔方程,得到了方程非平凡解的存在性.第五章在位势ε既不是周期的又不是强制的情形下,得到了m=1维无穷格点上的非周期离散非线性薛定谔方程的基态解的存在性.第六章给出了本文的结论以及展望.

关键词： Quantum theory  

ISBN: (纸本)9787030720344

关键词： 课程思政   自然科学的主观性   量子力学   物理实在性  

摘要： 思想政治教育与自然科学课程已完成嫁接的过程，但还是停留在思政是思政、课程是课程的初级阶段，没有内化。基于以上的出发点和立足点，本文跳出单纯的教学层面，深入剖析了思政与自然学科融合的发展历程和发展现状，探讨了思政与课程深度结合的可能性。

关键词： 纳米光子学   超材料   光子自旋霍尔效应   红移  

摘要： 光子自旋霍尔效应（PSHE）是对电子系统中自旋霍尔效应的比拟,光子和折射率梯度分别对应自旋电子和外加电场的作用。PSHE表现为一束线偏振光入射到非均匀介质中,光子自旋相反的两个角动量在反射或折射时沿垂直于入射面的横向方向上分离,实现光束的自旋分裂。由于对微结构材料的参数变化敏感,使其广泛应用于精密测量和光学传感领域。本文将利用一维光子晶体平台,并基于带隙的红移效应实现对光子自旋霍尔效应的调控,探究增强自旋分裂的方法。具体的工作以及成果如下:1、光子晶体是一种人工构造的带隙材料,是进行光与物质相互作用的良好平台。所谓的带隙是指特定波长的光在光子晶体中传播时,某一入射角度下的反射率或透射率几乎为零,进而形成一定波长范围的禁带,这些禁带就被称作带隙。传统的光子晶体一般都是由电介质组成,其带隙随着角度的增大而向短波长方向移动,即蓝移。根据有效介质理论（EMT）,利用银（Ag）和五氧化三钛（TiO）按一定体积比得到双曲超材料（HMM）,再将HMM与TiO堆叠,形成一维光子超晶体。光束在超晶体中传播,随着入射角度增大,反射光谱中横电波（TE）的带隙是蓝移的。此时,横磁波（TM）的带隙则发生红移,即带隙随着角度增大而向长波长方向移动。因此,利用两极化波带隙相反的角度灵敏性,可实现增大自旋相关分裂的目的。运用Mat Lab仿真模拟,在确定超晶体的各类参数后（如:周期数,超材料厚度,Bragg波长等）,得到的分裂位移值达到15μm。这是首次提出运用结合超材料的光子晶体来调控光子自旋霍尔效应,扩展了调控光子自旋霍尔效应的手段,为实现新型自旋光子器件提供了新的思路,相关研究成果发表在Optical Express上。2、打破晶体的对称性且传播相位满足一定条件时,晶体带隙内会产生局域态。这里,研究了基于红移局域态调控反射光自旋霍尔效应的方法。实现局域态的手段是利用掺杂了氧化铬的铟（In:Cd O）以及锗（Ge）构建一维光子超晶体,并插入电介质破坏晶体对称性。调节缺陷层厚度,Bragg波长和HMM厚度等参数,得到了TM波的大带宽全红移带隙,带隙内可以看到红移程度较好的缺陷态。最后模拟计算获得分裂位移大小为20μm。