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关键词： 第一性原理计算   二维材料   自旋电子学   电子性质  

摘要： 二维材料的原子级厚度、表面无悬挂键等特点,使其具有独特的电子学、光学和力学特性,在新一代智能电子、光电子及储能器件等领域有巨大的应用前景。近年来,新兴的二维材料层出不穷,在计算模拟中通过对它们电子性质、磁性的研究,可以为实验和应用研究提供指导。本文利用密度泛函理论方法研究了以卟啉为前驱体合成的新型卟啉基低维材料(金属-N碳基材料、金属-N碳基纳米带、二维金属卟啉有机框架)的磁性和电子性质,采用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法计算了相关低维材料器件的自旋输运性质,探究了这些材料在自旋过滤、存储记忆、气体传感和光吸收等方面的应用前景。本论文的主要研究内容与研究结果如下:1.金属-N碳基材料和硫/硼掺杂结构的电子性质及自旋输运性质的研究本征二维石墨烯是非磁材料,难以在自旋电子学中应用。采用金属原子掺杂石墨烯,易于在石墨烯表面形成金属团簇,不能实现自旋的有效注入。近来,实验中以卟啉为前驱体合成了金属和氮原子掺杂的石墨烯,四个N原子将金属原子固定在石墨烯中,为石墨烯在自旋电子学中的应用提供了可能。在本工作中,利用第一性原理,系统地计算了3d过渡金属-N碳基材料的几何结构、电子性质和自旋电子输运性质。结果表明,Ti-N碳基材料电子器件的自旋过滤效应可达到97%,Co-N体系的自旋过滤效应可达80%以上。通过硫/硼原子的掺杂,Co体系的自旋过滤效应可提升到100%,且巨磁阻提高了三个数量级。这些结果为金属掺杂的二维碳基材料在自旋电子学中的应用提供了重要的理论依据。2.金属-N碳基纳米带的电子性质和自旋输运性质的研究半金属态的低维材料在一个自旋通道中呈现金属性质,在另一个自旋通道中呈现半导体或绝缘体性质,可实现100%的自旋极化电流,是制备自旋电子器件的理想材料。本工作中,我们用四个N原子固定3d和4d过渡金属掺杂到锯齿状边缘碳基纳米带中,研究了其磁性、电子性质和自旋输运性质。结果表明,通过掺杂过渡金属原子可以成功地将磁性引入碳基纳米带中,其中引入Sc、Ti、V、Mn、Y、Zr和Nb的体系呈现半金属性质。在低偏压下,基于这些体系的双电极器件具有100%的自旋过滤效应,Mn体系的巨磁阻可达到10。本工作为低维碳基材料多功能自旋电子器件的设计提供了参考。3.基于二维锰卟啉的超灵敏气体传感器的理论研究开发灵敏度高、功耗低、可循环使用的室温气体传感器,对于环境安全检测具有重要意义。二维锰卟啉具有大比表面积和高表面活性,我们系统地研究了HS、CO、CO、SO、NO和NO气体分子吸附在该材料表面的电子结构和吸附特性。结果显示,二维锰卟啉在吸附CO、SO、NO和NO气体分子后的功函数随电荷转移而有不同程度的增加,体系吸附HS和CO后的功函数减小。此外,CO、SO、NO和NO气体分子的吸附显著影响该材料的电子性质,在低偏压范围内的电导率显示了该材料对这些分子的超高敏感性。二维锰卟啉材料有望成为超灵敏气体传感器的候选材料。4.含卟啉的二维共价有机框架的电子性质多样化调控二维共价有机框架材料在催化、光电器件、气体吸附、储能等众多领域具有应用潜力。调控其电子性质可以进一步拓展其应用领域。在此,我们对一类具有金属卟啉核心的二维共价有机框架进行了电子性质的研究并且通过改变中心金属原子种类和施加垂直电场对该材料的电子结构和磁性进行了调控。这些体系均展现为半导体性质,费米能级附近的能带较为平坦。我们发现电场可以使得Sc体系在半导体与半金属之间转换。另外,不同金属中心的该类体系均具有优异的光学吸收性能。本论文主要有以下七章内容组成:第一章介绍了部分二维材料的物理化学性质及自旋电子学应用;第二章介绍了理论计算的方法,包括密度泛函理论及非平衡格林函数方法;第三章介绍了一种以金属卟啉为前驱体合成的金属-N碳基二维材料和硫/硼掺杂结构的电子性质及自旋输运性质的研究;第四章在上一章的基础上研究了锯齿形金属-N碳基纳米带的电子性质和自旋输运特性;第五章主要介绍了二维锰卟啉材料作为气体传感材料的优异性质;第六章研究了含卟啉的二维共价有机框架的电子性质及其调控;第七章对本文工作进行了总结,并对未来的研究进行了展望。

关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚   自旋相关光晶格势   数值模拟   基态密度   平均场理论  

摘要： 束缚在不同势阱中的玻色-爱因斯坦凝聚体处在不同的作用下会表现出不同的基态密度分布。这些不同的基态结构，构成了丰富多样的涡旋晶格排列。本文研究处在旋转作用下的两分量玻色-爱因斯坦凝聚体在自旋相关的光晶格中所表现出来的新奇基态结构。主要内容包括如下：　　首先，简单介绍了玻色-爱因斯坦凝聚体、超流体、量子化涡旋、自旋相关光晶格的概念、特性及它们在实验上的实现。然后总结了目前国内外在研究玻色-爱因斯坦凝聚体基态结构方面的一些进展。还介绍了本文的主要研究工作。我们的研究可加深对自旋相关光晶格中玻色爱因斯坦凝聚体基态特性的理解，为凝聚态物理学中利用冷原子气体研究某些未知领域开辟一条新途径。　　其次，介绍了本文的理论模型和数值模拟方法。我们利用平均场理论导出了Gross-Pitaevskii方程（GP方程）。当系统的轴向束缚频率远远大于径向束缚频率时，通过二维约化和无量纲化将三维的GP方程转化为最简形式的GP方程。而GP方程的非线性使得解析求解该方程非常困难，所以我们又详细介绍了三种高效精确的数值模拟方法。　　然后，基于GP方程，通过数值模拟研究了自旋相关光晶格势和无限深势阱的联合势阱中玻色爱因斯坦凝聚体的基态密度分布特征。重点讨论了产生自旋相关光晶格势的两束激光的不同传播方向和波数之比?对基态密度分布的影响。分析发现，两束激光的波数较小，在其它参数保持不变的情况下，两束光相向传播时，当l＜2，两分量的基态密度条纹都是连续的，当l≥2，两分量的基态密度均出现不连续条纹。l=2是两个组分发生相变的临界波数比值。两束光垂直传播时，随着?的增大，组分1的基态密度从连续条纹逐渐转变为不连续条纹，组分2的基态密度则从不连续条纹逐渐转变为连续条纹。无论两束光是相向传播或者垂直传播，在波数比值的变化过程中，基态密度条纹数都会随着波数的增加而增多，且幅度相同，但涡旋个数始终保持不变。　　最后，对本文的工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。

关键词： Hartree型非线性项   伪相对论性Schr(?)dinger方程   变分法   约束极小化问题   耦合重排不等式   次可加性条件   集中紧性原理  

摘要： 随着科技的发展,偏微分方程凭借自身优势逐渐融入人们的生活和工作中.与此同时,越来越多的数学家也开始关注其中的非线性Schr(?)dinger方程.本文主要研究的内容是具有Hartree型非线性项的非线性伪相对论型Schr(?)dinger方程.我们基于变分法来研究它们的驻波解.一方面,我们证明了几个重要的重排不等式,为更进一步研究它们在非线性伪相对论性Schr(?)dinger方程中的应用提供有力的理论依据.首先,我们总结了函数空间、重排函数以及耦合重排函数的一些概念、性质等基本事实,并给出了相应的基本不等式和重要定理.其次,我们证明了Hartree型非线性项、分数阶拉普拉斯算子以及一般伪相对论性Schr(?)dinger算子的重排不等式和耦合重排不等式.最后,我们推导出能量重排不等式和严格的能量耦合重排不等式.此外,这些不等式为证明能量的次可加性条件以及证明基态的存在性和性质提供了依据.另一方面,我们给出了耦合重排不等式在非线性伪相对论性Schr(?)dinger方程的应用.首先,我们证明了约束极小化问题的一些性质,特别是推出了次可加性条件.通常情况下,次可加性条件可用缩放参数来表示,并且它在约束最小化问题中起着排除紧性缺失的关键作用.由于本文考虑的方程中的非齐次项和非局部项,我们无法使用缩放参数,而是使用两个新的耦合重排不等式来排除约束极小化问题中紧性的缺失.其次,在次临界的情况下,我们得到了带有Hartree型非线性项的伪相对论性Schr(?)dinger方程的基态的存在性.最后,在p=2的情况下,我们应用集中紧性原理得到了非线性伪相对论型Schr(?)dinger方程的解的紧性和轨道稳定性.

关键词： 类脑计算   自旋电子器件   霍尔条   脉冲时间依赖可塑性   存算一体   人工突触  

摘要： 随着通用人工智能技术的发展,传统的冯·诺依曼计算架构遇到了诸多瓶颈,探索一种能够加速处理海量数据的全新计算架构成为了当今世界的一项重大课题。研究发现,受脑科学启发的类脑计算架构在高效率计算、高复杂度问题求解、低功耗计算等方面具有极大的发展潜力。而在类脑计算架构中,最为重要的组成部分便是低功耗、高性能的神经元和突触器件,此类神经形态计算器件在构建新型类脑计算芯片方面具有极大的需求。本文围绕自旋电子学器件——霍尔条(Hall-Bar)开展模拟神经突触特性的研究,结合多种神经突触算法,探索人工突触电路在模拟突触特性方面的可能性。本文的主要研究创新内容如下:(1)开展了自旋神经突触器件的性能与建模研究。基于自旋电子学相关理论设计了器件结构,制备了相应的自旋突触器件,探究了器件的突触相关特性,并在Cadence仿真环境下,首次利用Verilog-A语言建立了自旋突触器件的行为级仿真模型。(2)开展了纯硬件方式实现的脉冲时间依赖可塑性(Spike Time Dependent Plasticity,STDP)复合学习算法的研究。首次提出了关联脉冲时间、宽度和个数依赖可塑性的突触复合学习算法的实现方案,构建了复合学习算法的纯硬件电路,并且实现了模拟神经突触行为以及非监督学习等功能。(3)开展了人工突触电路存算一体化的研究。首次提出并设计了集权重存储、计算于一体的人工突触电路。相比于CMOS器件构造的突触,该突触电路具有高并行、非易失、低功耗、存算融合、集成度高等特点,并通过器件的性能测试,以及整体电路的功能测试,验证了该电路的突触可塑性。本文所提出的人工突触电路具有生物的突触可塑性,实现了突触的兴奋增强、抑制衰弱、遗忘等学习功能。并结合相应的应用场景,首次利用单个人工突触构造存算一体电路实现了移动物体个数、位移速度的计算与存储的功能。

关键词： 自旋电子学   尖晶石结构   ZnCu2O4   密度泛函理论   磁性  

摘要： 尖晶石ZnCu2O4具有高自旋极化率,强电导率和良好的光学带隙,被预测可用于自旋电子器件领域,然而目前对尖晶石ZnCu2O4材料的研究仍处于初级探索阶段,对材料相关性质的调控(例如电子结构以及磁性性质)还未见系统的报道,本文基于密度泛函理论对尖晶石ZnCu2O4材料的晶体结构、电子结构以及磁性进行计算分析。主要研究工作如下:***2O4材料中包含Zn、Cu等强关联体系元素,通过GGA、GGA+U、HSE06三种不同的方法计算正尖晶石结构ZnCu2O4材料的能带结构,计算结果表明:GGA计算的带隙值几乎为0eV,价带顶和导带底重叠;采用HSE06计算的带隙值,自旋向上的带隙为5.01eV,自旋向下带隙0.81eV;采用GGA+U计算带隙值,获得自旋向上带隙5.05eV,自旋向下带隙0.6eV。HSE06计算的带隙值比GGA和GGA+U计算的更为准确,但计算量大耗时长,GGA+U计算的带隙值接近HSE06计算的值。因此,本论文计算以GGA+U为主。通过对正尖晶石结构ZnCu2O4体系两种磁性基态(FM、AFM)进行自洽计算,结果表明正尖晶石体系宏观呈现铁磁态。2.利用VASP计算不同反型系数(x=0.25、0.5、0.75、1)的ZnCu2O4尖晶石的性能,结果表明:正尖晶石构型的ZnCu204比反尖晶石构型的ZnCu2O4更稳定,随着反型系数x的增大,结构稳定性逐渐降低,即Zn离子更倾向于占据四面体间隙;同时,随反型系数增大,结构导电性能增强;体系均呈现出铁磁态,体系的磁性随反型系数增大逐渐减弱。3.利用VASP计算含不同本征缺陷对ZnCu2O4体系的电子结构与磁性的影响。结果表明:含Vo、Zni、VZn以及VO+Oi本征缺陷的ZnCu2O4体系均呈铁磁态;施主缺陷(Vo、Zni)使体系磁性减弱,受主缺陷Vzn使体系磁性增强;本征缺陷可以调控ZnCu2O4体系磁性和导电性能;磁性主要来源于Cu原子以及Cu原子近邻的O原子的杂化。4.研究过渡金属元素掺杂ZnCu2O4对体系电子结构以及磁性的影响,Fe、Mn金属离子分别掺杂ZnCu2O4,掺杂后的体系能带间隙分别为4.9eV和1.6eV,与理性晶格能带间隙相比明显减小,且体系导电性能增强,呈半金属性。并且掺杂后体系磁性增强,磁性主要由于过渡金属原子与近邻O原子之间的p-d轨道杂化作用。

关键词： 氮空位色心   磁传感   温度噪声抑制   共模相消  

摘要： 磁场测量在深海探测,地质勘察,生物医药等领域具有广泛的应用,同时面临着高精度高灵敏度的需求。近年来量子技术的经典理论推动了通信、计算、导航等技术的革新,赋予了物理量传感测量极限突破的可能。传统气态原子磁传感具有较高的灵敏度但是其难以微型化,而固态原子自旋磁传感兼顾高精度和微型化的优势,成为原子自旋超高精度传感技术微型化、集成化工程应用发展的主要趋势。目前,固态原子自旋磁传感精度已经达到1p T量级,但是由于金刚石氮空位色心的温度依赖性,在磁传感时存在温度噪声,导致精度难以提升。因此本文提出了一种基于微波双路调制解调方法的高灵敏固态原子自旋磁传感方法,降低温度对固态原子自旋磁传感的影响。本文首先介绍了金刚石氮空位色心磁传感的研究现状与金刚石氮空位色心温度噪声研究情况。并基于哈密顿方程,建立金刚石氮空位磁传感模型,对金刚石氮空位结构磁传感机理进行了研究,介绍了光探测磁共振技术,可用于提取金刚石氮空位结构中电子自旋状态。其次,基于磁场和温度所引起能级漂移特性,提出一种双路磁传感方法,通过两个自旋信息之间的反馈,在磁传感的同时实现了温度噪声的差分相消。并针对该方法设计了双路系统方案,通过施加不同频率的调制信号对微波进行频率调制,对红光信号分别解调后,实现两个自旋态的分离。采用PID锁频技术,实现对其中一个自旋态的锁定,并将其漂移量负反馈至另一个自旋态,实现温度噪声的共模相消。最终,搭建了双路测试平台,分别对微波天线,自旋态的分离和同步环节进行了测试。并对调制参数进行优化,使两个解调曲线斜率趋于一致。通过对双路磁传感系统测试发现磁传感灵敏度由0.64m V/n T提升到1.24m V/n T,相较于单路磁传感系统灵敏度提高1.93倍,散粒噪声极限为13.05 p T/Hz。另外,使用无磁加热芯片使金刚石表面温度由25℃升高至50℃时,温度噪声抑制效果提高了11.09倍。本文针对氮空位原子自旋磁传感中存在温度噪声的问题开展的探索与工作,所研究的基于微波双路调制解调的高灵敏固态原子自旋磁传感方法,可以抑制磁传感系统中的温度噪声,有助于推动固态原子传感器件传感精度的进一步提高。

关键词： 强关联系统   非正则性   双自旋问题   代数动力学理论   Heisenberg运动方程   Schwinger-Dyson运动方程  

摘要： 基于Wick定理和Feynman图技术的正则微扰动力学方法,虽然适用于弱耦合系统,但对于t-J模型、大U极限下及量子自旋下的Hubbard模型等大部分强关联系统来说并不可行。这主要是因为在强关联系统中,描述相关理论所用的算符是非正则性的,非正则性意味着这些算符的交换、反交换及代数关系并不是简单的Kronecker或Dirac-δ函数,从而使得Wick定理和Feynman图方法直接失效。因此,如何处理非正则性算符,一直是凝聚态物理的研究难点。在强关联系统中,双自旋问题的研究具有重要意义。一方面,许多强关联系统模型,如原子极限和平均场理论下的Hubbard模型,量子自旋为-1/2的Heisenberg模型,以及Kondo模型等,它们的局部和平均场极限在代数上都和双自旋问题等价。另一方面,双自旋模型可以通过对角化来精确求解。因此,在这里,针对非正则性算符,我们将代数动力学理论应用于双自旋问题,进行了微扰理论的研究。论文的主要研究内容如下:第一部分,我们介绍了代数方法和动力学方法相结合的我们称之为代数动力学理论的新理论框架。通过代数动力学理论引入完备算符基,引入算符基后,任意量子态,无论是纯状态还是混合态,都可以用算符基期望值的集合来表示。接着,我们通过Heisenberg运动方程和Schwinger-Dyson运动方程建立了一个从给定态到其完备动力学关联函数集合的完备映射。算符基和映射的完备性确保了代数动力学理论原则上是一个数学上严格的框架。最后,我们对谱表示和简单极限下的代数动力学理论进行了介绍,并对部分模型作了简单的讨论。第二部分,我们利用代数动力学理论为量子自旋-1/2系统建立了一个新的非正则的Schwinger-Dyson运动方程。随后,我们将Ising极限视为自由理论,将横场视为微扰,证明了对于简单的双自旋问题,Schwinger-Dyson运动方程可以给出关于Ising极限的精确解。

关键词： 量子信息   量子传感   量子费舍信息   量子几何张量   量子克拉美-罗界  

摘要： 量子费舍信息源于量子参数估计理论。作为量子度量学的核心概念之一,它决定无偏参数估计的理论精度极限。近年来,量子费舍信息也为量子几何、量子相干、量子纠缠、量子相变等基本物理的研究提供了有效的方法与途径。因此,量子费舍信息的实验测量与研究对量子信息科学、多体量子物理等诸多领域都具有十分重要的价值与意义。由于量子费舍信息一般不与任何可直接观测的物理量相关,目前实验上测量量子费舍信息的普适方法是量子态层析。然而,量子态层析所需测量的次数随着体系维度呈指数型增长,因而其不适用于包含大量粒子的高维系统。因此,实验上更加高效的量子费舍信息测量方法仍亟需研究与探索。针对该目标,本论文首先发展了纯态的量子费舍信息测量方法,即一种基于参数调制的方法。然后,考虑到参数调制方法仅适用于纯态量子费舍信息测量的局限性,本论文针对一般的量子态(包括混态)发展了基于随机测量提取量子费舍信息的有效方法。最后,基于量子费舍信息的测量,本论文进一步验证了量子Cramér-Rao界限,后者决定参数估计的理论精度极限。主要的工作内容如下:(1)基于参数调制诱导相干共振跃迁的方法测量纯态的量子费舍信息。基于二能级固态自旋系统,本论文首先构造参数依赖的目标哈密顿量并将系统初始化到相应本征态,然后施加参数调制的微波驱动场诱导本征态之间的相干跃迁,最后通过测量跃迁的振荡频率提取相应本征态的完整量子几何张量。(2)基于随机测量方法测量一般量子态的量子费舍信息。本论文利用Ramsey实验制备一般量子态,并基于随机测量方法测量参数空间中相邻量子态的保真度,进而提取出量子费舍信息。相较于量子态层析方法测量量子费舍信息,随机测量方法可以显著减小实验所需要的测量次数。(3)基于二能级固态自旋系统验证量子Cramér-Rao界限。本论文一方面基于参数调制方法直接测量系统本征态的量子费舍信息,另一方面通过Ramsey实验提取相应本征态中的相位参数以及参数估计精度,并结合最优的测量和参数估计方案得到参数测量精度达到量子Cramér-Rao界限。本论文主要基于二能级固态自旋系统测量量子态的量子费舍信息,所发展的方法也可以被推广至更加复杂的多体量子系统。