唐黎明/陈克求教授课题组在计算凝聚态物理领域取得重要进展

近日，湖南大学物理与微电子科学学院唐黎明/陈克求教授课题组在计算凝聚态物理领域取得重要进展，研究成果发表在Physical Review Letters、Physical Review B以及Nano Letters等权威学术期刊上。

课题组在二维系统中实现了不依赖于自旋-轨道耦合机制的高效电荷-自旋转换。自旋-动量耦合强烈依赖于固体中重元素的相对论效应，这是自旋电子学中许多现象的基础。唐黎明/陈克求教授课题组从理论上预测了二维材料中的非相对论自旋-动量耦合。通过提出二维体系中自旋分裂的磁对称性要求，研究发现通过一个简单的转角操作可以在反铁磁双层中实现非相对论自旋分裂。通过第一性原理计算，证明动量依赖的自旋分裂广泛存在于反铁磁转角双层中，转角引起的自旋分裂大小与自旋-轨道耦合引起的自旋分裂大小具有相同的数量级。在外电场下，转角结构可以产生具有极高电荷-自旋转换比的自旋电流。这些结果表明在没有自旋-轨道耦合的材料中可实现电控磁性。研究成果发表在物理学顶级期刊Physical Review Letters130, 046401 (2023)。


自旋电流示意图、价带和导带的能量轮廓和电荷-自旋转换比

课题组研发了一套能处理纳米尺度体系磁子-声子耦合的全量子计算方法。磁子-声子散射在磁性纳米结构量子输运中受到广泛关注。然而，缺乏严格考虑磁子-声子散射的输运理论方法，严重阻碍了磁性纳米结构量子输运的研究和器件设计。该工作提出了一种基于非平衡格林函数的理论方法，结合图形微扰理论，将磁子-声子散射严格地纳入到量子输运计算，为实际磁性纳米结构量子输运第一性原理模拟开发了一套计算程序。研究成果发表在物理学权威期刊Physical Review B105,064401 (2022)。


纳米尺度器件磁子-声子相互作用物理模型和热导计算方程

课题组解决了实际纳米材料拓扑声子计算长期存在的不自洽问题。实际纳米材料拓扑声子态受到国际学术界的广泛关注。然而, 长期以来许多文献报道的拓扑声子计算哈密顿量不满足声学求和规则。该工作给出了正确的哈密顿量，解决了实际材料拓扑声子计算哈密顿量长期存在的不自洽问题。基于修正的哈密顿量，发现了二维石墨烯纳米带存在拓扑声学声子表面态，并验证了由非零陈数描述的光学声子拓扑模式。研究成果发表在物理学权威期刊Physical Review B106, L121401 (2022)（Letter）。


课题组发现了核量子效应对NbSe2和NbS2中电荷密度波影响机制。电荷密度波是晶体中电荷密度的周期性调制，通常伴随着结构畸变从而形成超晶格。费米面嵌套以及电声耦合作用通常是驱使电荷密度波转变的主要机制。该工作通过结合静态密度泛函理论、经典分子动力学和路径积分分子动力学，发现核量子效应会显著抑制NbS2体系中电荷密度波相的形成，而在NbSe2体系中没有观察到显著的核量子效应。该发现解释了为什么等电子等结构化合物NbSe2和NbS2表现出截然不同的电荷密度波特征，为进一步探索核量子效应对电荷密度波等电子关联体系的结构和电子性质的影响提供新的角度和启示。研究成果发表在纳米科学权威期刊Nano Letters 22,1858(2022)。


湖南大学物理与微电子科学学院为第一完成单位，贺然、潘慧、丁中科、郑月哨分别为上述论文的第一作者。课题组主要研究人员还有曾犟副教授和罗南南助理教授。该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。