磁性纳米结构中由激光引起的超快自旋动力学研究.pdf

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1、磁性纳米结构中由激光引起的超快自旋动力学研究理论模型：应用第一性原理计算，经由˄进程研究磁性纳米结构中的超快自旋动力学。是一种通过模拟再现自旋翻转的方法。中间涉及的第一性原理计算没有展开叙述，重点说明自旋翻转的动力学过程。图1表示˄进程的基本过程，假设在激光作用以前，初始态被自旋向下的电子占据，这些电子在一定激光脉冲作用下首先跃迁到一个自旋混合的激发态，然后继续在激光的作用下发生跃迁，使最终态由自旋向上的电子完全占据，完成整个自旋翻转过程，反之亦然。图中所示的中间态是通过自旋轨道耦合作用形成的自旋混合态，这样才有可能使其与两个基态之间都可发生跃迁。图中mj表

2、示总角动量磁量子数，σ+表示右旋圆偏振光作用下的跃迁路径，σ-表示左旋圆偏振光作用下的跃迁路径，ћω代表量子化的激光脉冲能量，初始态和最终态是通过外加磁场分离三重态得到的，二者之间的能量差由赛曼效应确定。具体来说，图1中包含了两个过程，如果起始状态是电子处于mj=-1的基态，被右旋偏振光激发后跃迁至mj=0的激发态，之后在左旋偏振光的激发下跃迁至mj=+1的基态，完成自旋反转；如果起始状态是电子处于mj=+1的基态，先用左旋偏振光作用再用右旋偏振光作用完成自旋的反转。可以用第一性原理对磁性纳米结构中由激光引起的电子激发自旋动力学过程进行描述求解。图1˄进程示

3、意图结果与讨论:单一磁性中心NiO中的超快自旋翻转图2NiO(001)面(NiO5-8)在激光作用下的自旋翻转过程(a)自旋翻转涉及的各能态随时间变化的占据情况，插图是进程示意图和NiO表面模型；(b)自旋角动量分量的期望值变化；(c)实现自旋转换所用激光脉冲包线NiO材料自旋密度高且具有反铁磁序，通过研究它的光学二次谐波可以得到自旋动力学的相关信息。图2所示为NiO(001)面在激光作用下的自旋转换过程。计算的条件是外加磁场垂直于NiO表面，激光的极化方向和表面平行，使用线偏振光可以实现最优的自旋转换过程，并且激光的传播方向与外加磁场平行。图2(a)中的粗

4、虚线和粗实线分别代表自旋转换的初始态和最终态，也就是˄进程中先后被不同自旋态电子占据的两个基态，点虚线代表自旋混合的激发态，即˄进程中的中间态。从图2(b)自旋分量期望值变化的时间历程可以很清楚地看出这种由激光引起的自旋转换过程。对于双磁性中心的磁性团簇，如果是由相同元素组成的对称结构，自旋密度就对等分布在两个原子上，只能允许整体上的自旋翻转，而对于由不同元素构成的非对称结构，自旋密度会局域在一个原子上，选择合适的初始态、最终态和中间态，同时对激光参数进行优化，可以在自旋局域化的原子上实现自旋翻转。