QuantumATK在磁性材料与自旋电子学研究中的应用

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概述

寻找新型的非挥发（非易失）存储技术在当前是备受关注的研究领域。磁性随机存储（MRAM）是非常有前途的一种。QuantumATK在一些研究组和电子公司的不同MRAM新材料的研发阶段中都得到了应用。QuantumATK也是研究自旋电子学的常用工具，可以研究各种新颖的自旋应用器件，这些器件中不是用电子的电荷而是用自旋来传递信息的。

QuantumATK包含了最新的模拟方法，即用密度泛函理论（DFT）来模拟自旋电子器件。在模拟中可以考虑含旋轨耦合的非共线自旋计算，MetaGGA泛函，非平衡态格林函数（NEGF）器件模拟，等等。QuantumATK在进行非共线自旋、自旋轨道耦合自洽计算方面在不断进步，越来越快速可靠。

用QuantumATK研究自旋器件的优势

QuantumATK在纳米结构的自旋输运计算方面有着无与伦比的优势：
  • QuantumATK基于量子力学第一原理计算，可以研究广泛的材料
    • 石墨烯、纳米管
    • 分子器件
    • 金属纳米线
    • 界面、点接触
    • 等等
  • QuantumATK计算可以应用于几百至几千原子的体系
  • 计算有偏压存在时的自旋极化电流-电压特性
  • QuantumATK可以在计算时考虑自旋轨道耦合、非共线磁性
  • 计算如Fe/MgO/Fe类似结构的磁性隧道结（magnetic tunnel junctions，MTJ) 的隧穿磁阻
  • 计算 spin-transfer torque (STT) 与层内的交换耦合作用
  • 研究自旋输运（透射）的机理，可以对透射系数在k空间中进行分解并分析透射的本征通道
  • 计算磁各向异性能量
  • 海森堡交换分析
  • 计算自旋动力学，Gilbert damping（Kambersky torque-torque correlation 模型）

NanoLab让研究者专注于研究，更快获得结果

NanoLab图形界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题，专心思考体系的电子和自旋输运特性，更快的发现新材料、创建新结构，避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab可以：

  • 快速构建各种结构模型
  • 按原子类别、标签设置初始原子磁矩
  • 直接显示不同自旋的电流、输运系数谱
  • 对输运系数进行k空间、透射通道分析
  • 直接显示原子上自旋的分布
  • 直接显示Spin-Transfer Torque分布

发表的文章示例

二维半金属FeX2（X=Cl，Br，I）铁磁体的本征自旋动力学性质

具有本征半金属性的超薄二维铁磁体在纳米自旋电子学器件设计中具有很好的应用前景。在这项工作中，作者利用密度泛函理论（DFT）系统地研究了一类有前途的二维铁磁体单层二卤化铁（FeX2，X=Cl，Br，I）的自旋输运和动力学性质。

机器学习方法分析无序MgAl2O4结构形成的磁性隧道结的隧道磁电阻

此项研究通过贝叶斯优化和最小绝对收缩选择算子（LASSO）技术结合第一性原理计算，探索了 Fe/无序MgAl2O4（MAO）/Fe（001）磁性隧道结（MTJ）的隧道磁电阻（TMR）效应。通过对 1728 个候选结构进行贝叶斯优化，得到了 TMR 最大的最优结构，在 300 次结构计算中达到收敛。

Bi2Se3拓扑绝缘体的表面态、表面薄层电流的自旋分布medium

  • Nonequilibrium spin texture within a thin layer below the surface of current-carrying topological insulator Bi2Se3: A first-principles quantum transport study
  • Phys. Rev. B 92, 201406(R)

Co2FeAl/MgO/Co2FeAl中的非共线输运研究newjphys16.103033

更多发表的文章参见【文章列表】。

相关实例教程

  • 拓扑绝缘体的能带、态密度、表面态与拓扑不变量
  • 自旋输运与自旋电子学系列
自旋输运谱
磁性隧道结mgo_para_down
非共线自旋
自旋分辨的Bloch态bloch-states-viewer
  • 计算自旋极化电子的Bloch态
  • NanoLab提供的工具可以对Bloch态进行分析和可视化

 

自旋轨道耦合soc-gga-band
  • QuantumATK支持含自旋轨道耦合（SOC）的自旋极化计算
  • SOC可以给出准确的半导体材料的Gamma点的SOC能级劈裂
  • SOC计算可以与密度泛函理论（DFT）或半经验量子力学方法（SemiEmpirical）一起使用

 

拓扑绝缘体fermi_surface_topological
  • 使用SOC等高级方法计算体系的电子（自旋）态
  • 使用Slab模型计算并分析体系的表面态与自旋分布状况
  • 研究Dirac锥附近的费米面和自旋方向（右图）
  • 计算TI的拓扑不变量

 

相对论效应gold_soc_gga_band
  • 通过含有SOC的DFT计算研究重元素的相对论效应

 

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