QuantumATK：磁性与自旋电子学模拟工具

计算引擎特性

• 机器学习力场（ML-MTPs）
  • 获得材料和器件中真实的界面结构（例如 MRAM 中磁性隧道结）
  • 进行能量计算
• 密度泛函理论（DFT-LCAO 和 DFT-PlaneWave 引擎）
  • 可以使用全部支持的泛函，包括 超快的HSE杂化泛函、MetaGGA等为考虑带隙和能量准备的泛函
  • 可以进行自旋极化（共线）、自旋非共线计算，可以包含自旋-轨道耦合（SOC），支持DFT+U等模型
  • DFT-PlaneWave包含PAW势，更好的模拟重元素体系
• DFT-LCAO 方法还可以和非平衡态格林函数（NEGF）结合，对器件（Device）模型进行计算模拟
  • 可以模拟器件的自旋极化（共线）、自旋非共线的输运性质计算

磁性和自旋输运特性分析

• 电子态
  • 使用 DFT-LCAO 和 DFT-PlaneWave计算能带、态密度、电子密度、自旋密度、费米面等电子态
  • 能带和态密度可以直接选择在原子、轨道、基组、自旋等各种属性上进行投影，并直接作图
  • 直接计算 Local DOS 等，可以用于分析诸如表面态等的性质
  • 详见：材料电子态性质研究工具
• 磁各向异性能量（MAE）
  • 使用功能强大的study object进行磁各向异性能量（magnetic anisotropy energy，MAE）的计算，支持中断时自动续算
  • 图形界面支持计算设置和分析，给定theta和phi角，投影（原子位、原子位和壳层、原子位和轨道）、能量窗口、每电子能带数、k点采样
  • MAE对坐标（x/y/z）作图，对给定的角度和投影
  • 详见：磁性存储材料研发中磁各向异性能（MAE）模拟

• 海森堡交换分析（Heisenberg exchange analysis）
  • 新方法：使用格林函数方法计算 Heisenberg 自旋-晶格模型经验方法和模型的交换耦合常数
    • 在一个磁性结构计算中获得所有交换耦合参数（传统方法需要基于多个磁性结构的总能计算）
    • 设置需要分析耦合的原子非常方便
  • 计算分析海森堡交换耦合、交换刚度、居里温度等
  • 研究有限温度下的磁性，例如：磁性体系的相图、相变和磁化动力学
• 自旋寿命
  • 计算在实际温度时，由电子-声子相互作用决定的自旋寿命（还与自旋-轨道耦合有关，Elliot-Yafet机理）；
• 轨道磁矩
  • 分析原子轨道磁矩
• 自旋动力学
  • 计算 Gilbert damping 张量（即可以考虑各向异性），得到的 Gilbert damping 常数可以用于 TCAD S-device 和其他工具，模拟微磁体系
  • 可以模拟晶体、合金、表面、界面的 Gilbert damping
  • 使用 Kambersky torque-torque correlation 模型
• 自旋输运
  • 计算有偏压存在时的自旋极化电流-电压特性
  • 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
  • 考虑自旋轨道耦合、非共线自旋输运