自旋軌道
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時(shí)間：2020-10-02
自旋軌道的實(shí)例教程
計(jì)算軌道磁矩
繼續(xù)計(jì)算，VASP會(huì)讀取WA.VECAR 和 CHGCAR將自旋量子化方向（磁場(chǎng)方向）平行于SAXIS方向。
最后可以比較各個(gè)方向磁矩時(shí)能量的不同。
注意： 第二步使用自洽計(jì)算(ICHARG=1)原則上也是可以的，但是初始平行于SAXIS的磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到基態(tài)，如平行于易磁化軸，但這個(gè)過(guò)程會(huì)很慢且能量變化很小，而且如果收斂標(biāo)準(zhǔn)不是很嚴(yán)格的話，自洽計(jì)算會(huì)在未達(dá)到基態(tài)就停止。
注意： VASP的輸入輸出的磁矩和類自旋量都會(huì)按照這個(gè)SAXIS方向，包括INCAR中的
MAGMOM行，OUTCAR和PROCAR.文件中的總磁矩和局域磁矩，WA.VECAR中的類自旋軌道和CHGCAR中的磁性密度。
展開(kāi) 近年來(lái)，科學(xué)家們雖然已經(jīng)合成了一些純有機(jī)室溫磷光材料，然而有機(jī)化合物大的非輻射速率常數(shù)和小的自旋軌道耦合使得高效純有機(jī)室溫磷光材料的開(kāi)發(fā)仍極具挑戰(zhàn)。
為了克服有機(jī)化合物大的非輻射速率常數(shù)和小的自旋軌道耦合，科研工作者已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種方法獲得純有機(jī)室溫磷光，主要包括通過(guò)構(gòu)建晶體、主客體摻雜、構(gòu)建金屬有機(jī)框架等方法抑制三線態(tài)電子的非輻射躍遷和通過(guò)引入芳香羰基化合物、雜原子和重原子增加自旋軌道耦合。其中，重原子由于具有高核電荷易使磷光分子的電子能級(jí)發(fā)生交錯(cuò)，引起或增強(qiáng)磷光分子的自旋軌道耦合作用，促使電子在S1→Tl態(tài)之間的系間竄躍(ISC)概率增大，從而有利于增大磷光量子效率，此作用通常被稱為重原子效應(yīng)。在室溫磷光材料的設(shè)計(jì)合成中，重原子效應(yīng)常被用來(lái)提高磷光量子效率。尤其是外部重原子效應(yīng)，由于其無(wú)需通過(guò)多步化學(xué)合成即可被引入到有機(jī)發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)磷光發(fā)射而備受科學(xué)家關(guān)注。然而，針對(duì)外部重原子效應(yīng)是如何通過(guò)相互作用來(lái)施展的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題需要更進(jìn)一步的研究，且對(duì)純有機(jī)室溫磷光材料的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。
2017年，我們首次提出了利用陰離子-π+相互作用來(lái)構(gòu)建新型離子型聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）材料（TPO-P）（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 16974–16979）。受此啟發(fā)，我們將該類離子型AIE材料的對(duì)陰離子交換為重鹵素陰離子，探索陰離子-π+相互作用是否可以作為一種新途徑來(lái)輔助施展外部重原子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)室溫磷光發(fā)射，從而構(gòu)筑純有機(jī)室溫磷光材料。研究結(jié)果表明，在溶液態(tài)時(shí)，所有化合物均呈現(xiàn)短壽命的熒光，而在固態(tài)時(shí)，含有重鹵素離子的TPO-I和TPO-Br則呈現(xiàn)長(zhǎng)壽命的磷光，而不含重鹵素離子的化合物僅呈現(xiàn)出熒光性質(zhì)（圖1）。
圖1.
展開(kāi) 石墨烯因具有自旋軌道耦合（SOC），也首次被確定為量子自旋霍爾（QSH）絕緣體，它能在狄拉克點(diǎn)處打開(kāi)帶隙。這一發(fā)現(xiàn)給人以新的啟發(fā)，即研究石墨烯QSH效應(yīng)有可能實(shí)現(xiàn)其在量子計(jì)算和自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用。盡管人們已在HgTe量子阱中觀察到了QSH效應(yīng)，但由于石墨烯的SOC強(qiáng)度太小（~1μeV），無(wú)法在實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)的溫度范圍內(nèi)誘導(dǎo)出拓?fù)浣^緣體相。
來(lái)自韓國(guó)建國(guó)大學(xué)的Hoonkyung Lee領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用原子模擬進(jìn)行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)搜索和幾何優(yōu)化，以探索和設(shè)計(jì)能夠容納量子自旋霍爾相的原子級(jí)層狀碳材料（2D材料）。從二維sp2-sp2雜化網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始，原子模擬提供了31個(gè)碳層，這些碳層都具有各種類型無(wú)質(zhì)量的狄拉克錐，同時(shí)包括各向同性或各向異性的狄拉克錐，以及共存的具有不同各向異性的不對(duì)稱狄拉克錐。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了21個(gè)沒(méi)有自旋軌道耦合的狄拉克費(fèi)米子系統(tǒng)，其中的19個(gè)有可能成為量子自旋霍爾絕緣體，卻具有相當(dāng)大的自旋軌道耦合。這些結(jié)果表明利用第一性原理可以預(yù)測(cè)各種無(wú)質(zhì)量狄拉克錐的碳基系統(tǒng)，同時(shí)也為揭示二維材料中實(shí)現(xiàn)狄拉克錐提供了可行路線。
該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 4: 54 (2018)，英文標(biāo)題與摘要如下，點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。
展開(kāi) 其中，基于元素錫(Sn)的二維類石墨烯晶體錫烯(Stanene)因其具有很強(qiáng)的電子自旋-軌道耦合，被認(rèn)為是繼石墨烯后又一種具有優(yōu)越物理性質(zhì)的新型量子材料。2013年前后理論物理學(xué)家們預(yù)言，錫烯中由于pxy軌道具有遠(yuǎn)強(qiáng)于pz軌道的自旋軌道耦合效應(yīng)，因此s-p軌道的能帶反轉(zhuǎn)可以在布里淵區(qū)中心打開(kāi)數(shù)百毫電子伏的巨大能隙；更巧妙的是，由于pxy軌道是平面內(nèi)的，所以其拓?fù)湫愿鼮轸敯簦灰资艿揭r底和吸附物的影響和破壞。因此，錫烯是一種理想的大能隙二維拓?fù)浣^緣體，有望實(shí)現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)，在拓?fù)潆娮訉W(xué)器件應(yīng)用方面具有重要意義。理論同時(shí)還預(yù)言了錫烯有可能被調(diào)控實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、近室溫的量子反常霍爾效應(yīng)等新奇特性。過(guò)去幾年中，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究組在不同的襯底表面制備了單層錫烯，但由于受襯底影響，這些已制備出的錫烯都具有非平面的翹曲結(jié)構(gòu)且均未表現(xiàn)出拓?fù)湮镄浴Ｈ绾沃苽涑鼍哂型負(fù)涮匦缘腻a烯，成為二維類石墨烯材料物性研究亟待突破的重要難題。
純平蜂窩結(jié)構(gòu)錫烯的制備和原子尺度形貌圖（1-3）、結(jié)構(gòu)模型（4-5）、理論計(jì)算（6）和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的電子能帶結(jié)構(gòu)（7-8）。
經(jīng)過(guò)近三年反復(fù)摸索，研究團(tuán)隊(duì)利用低溫分子束外延技術(shù)成功制備出了具有拉伸晶格結(jié)構(gòu)的單層錫烯。該研究工作首次發(fā)現(xiàn)單層錫烯可以表現(xiàn)出與石墨烯完全一致的平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其單胞中AB位原子無(wú)高度差，形成理想的純平六角蜂窩晶格，為碳基石墨烯家族添加了錫基成員。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到純平錫烯的化學(xué)惰性以及缺陷結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了其與碳基石墨烯具有諸多相似性，有望為平面蜂窩結(jié)構(gòu)的材料提供新的研究平臺(tái)。更為重要的是，由于襯底的外延作用，這一純平錫烯的晶格常數(shù)高達(dá)0.51納米，故存在因晶格拉伸導(dǎo)致的s-p軌道拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)，即具有拓?fù)涮匦浴?/span>
展開(kāi) 其中，基于元素錫(Sn)的二維類石墨烯晶體錫烯(Stanene)因其具有很強(qiáng)的電子自旋-軌道耦合，被認(rèn)為是繼石墨烯后又一種具有優(yōu)越物理性質(zhì)的新型量子材料。2013年前后理論物理學(xué)家們預(yù)言，錫烯中由于pxy軌道具有遠(yuǎn)強(qiáng)于pz軌道的自旋軌道耦合效應(yīng)，因此s-p軌道的能帶反轉(zhuǎn)可以在布里淵區(qū)中心打開(kāi)數(shù)百毫電子伏的巨大能隙；更巧妙的是，由于pxy軌道是平面內(nèi)的，所以其拓?fù)湫愿鼮轸敯簦灰资艿揭r底和吸附物的影響和破壞。因此，錫烯是一種理想的大能隙二維拓?fù)浣^緣體，有望實(shí)現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)，在拓?fù)潆娮訉W(xué)器件應(yīng)用方面具有重要的意義。
理論同時(shí)還預(yù)言了錫烯有可能被調(diào)控實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、近室溫的量子反常霍爾效應(yīng)等新奇特性。過(guò)去幾年中，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究組在不同的襯底表面制備了單層錫烯，但由于受襯底影響，這些已制備出的錫烯都具有非平面的翹曲結(jié)構(gòu)且均未表現(xiàn)出拓?fù)湮镄浴Ｈ绾沃苽涑鼍哂型負(fù)涮匦缘腻a烯，成為二維類石墨烯材料物性研究亟待突破的重要難題。
經(jīng)過(guò)近三年反復(fù)摸索，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的王兵教授和趙愛(ài)迪副教授帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)徐勇助理教授、段文暉教授以及美國(guó)斯坦福大學(xué)張首晟教授合作，利用低溫分子束外延技術(shù)成功制備出了具有拉伸晶格結(jié)構(gòu)的單層錫烯。該研究工作首次發(fā)現(xiàn)單層錫烯可以表現(xiàn)出與石墨烯完全一致的平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其單胞中AB位原子無(wú)高度差，形成理想的純平六角蜂窩晶格，為碳基石墨烯家族添加了錫基成員。
實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到純平錫烯的化學(xué)惰性以及缺陷結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了其與碳基石墨烯具有諸多相似性，有望為平面蜂窩結(jié)構(gòu)的材料提供新的研究平臺(tái)。更為重要的是，由于襯底的外延作用，這一純平錫烯的晶格常數(shù)高達(dá)0.51納米，故存在因晶格拉伸導(dǎo)致的s-p軌道拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)，即具有拓?fù)涮匦浴?/span>
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角動(dòng)量可分為自旋角動(dòng)量SAM和軌道角動(dòng)量OAM兩部分，用S和J分別表示他們，則L可以表示為：
L = S + J
對(duì)于線極化光波，有S=0，在考慮傳播方向上的角動(dòng)量時(shí)，如z軸，它與x、y平面上的線性動(dòng)量有關(guān)。p =mv =ε_(tái)0 E xB ,E和B分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
當(dāng)軌道轉(zhuǎn)移的時(shí)候，退出前執(zhí)行“exit”內(nèi)部行為“消自旋”，停止自旋。當(dāng)軌道轉(zhuǎn)移完成，進(jìn)入新軌道“捕獲”狀態(tài)，首先“甩動(dòng)量”，然后“確定姿態(tài)”；更新衛(wèi)星的姿態(tài)之后，如果衛(wèi)星“當(dāng)前姿態(tài)==規(guī)則姿態(tài)”，則轉(zhuǎn)移為“在站”組合狀態(tài)；否則“轉(zhuǎn)向”（Slew），直到衛(wèi)星“當(dāng)前姿態(tài)==規(guī)則姿態(tài)”。如果在“轉(zhuǎn)向”狀態(tài)收到“脫離軌道”命令（產(chǎn)生的觸發(fā)器），則“姿態(tài)控制子系統(tǒng)”工作完畢。
軌道角動(dòng)量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，可以理解為在往前走的時(shí)候還自轉(zhuǎn)，軌道角動(dòng)量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動(dòng)量。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。因此，在正常的電磁波中添加相位旋轉(zhuǎn)因子，電磁波就不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋的相位結(jié)構(gòu)。渦旋波每繞傳輸軸旋轉(zhuǎn)一圈，相位波就前進(jìn)。
理論預(yù)言，具有強(qiáng)自旋軌道耦合的窄禁帶半導(dǎo)體InAs和InSb納米線與超導(dǎo)體耦合，可以實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模和拓?fù)淞孔佑?jì)算。然而，由于窄禁帶半導(dǎo)體納米線與常規(guī)超導(dǎo)體之間晶格失配很大，高質(zhì)量樣品的制備一直是制約半導(dǎo)體-超導(dǎo)納米線拓?fù)淞孔佑?jì)算研究的關(guān)鍵難題。
中科院半導(dǎo)體所趙建華、潘東團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于用于拓?fù)淞孔佑?jì)算的高質(zhì)量半導(dǎo)體-超導(dǎo)納米線分子束外延可控制備研究。
由于半導(dǎo)體禁帶寬度窄，導(dǎo)帶價(jià)帶電子相互作用強(qiáng)，電子自旋軌道相互作用強(qiáng)，用微擾方法可以很好的處理這些作用。因此，k·p微擾對(duì)于窄禁帶半導(dǎo)體尤為重要。
方法七：回旋共振
回旋共振就是當(dāng)半導(dǎo)體中的載流子在一定的恒定磁場(chǎng)和高頻電場(chǎng)同時(shí)作用下會(huì)發(fā)生抗磁共振的現(xiàn)象。
為了實(shí)現(xiàn)這一想法，該研究小組選擇了非晶Sb2Se3作為研究對(duì)象 — Sb2Se3具有相對(duì)穩(wěn)定的無(wú)序結(jié)構(gòu)，而且其晶態(tài)展現(xiàn)出豐富的電子行為，比如強(qiáng)自旋軌道耦合、拓?fù)浣^緣性、壓力誘導(dǎo)超導(dǎo)等。那么這些新奇的物理現(xiàn)象是否也會(huì)發(fā)生在非晶態(tài)Sb2Se3中，壓力是否也會(huì)誘導(dǎo)非晶態(tài)Sb2Se3超導(dǎo)？原子排列的變化又是如何影響非晶態(tài)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)？
在眾多候選材料中鈣鈦礦錳氧化物（La0.7Sr0.3MnO3）作為一種典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系材料，存在晶格、電荷、自旋和軌道四種自由度的強(qiáng)烈耦合，表現(xiàn)出了豐富的物理性質(zhì)。特別是隨著脈沖激光沉積和反射式高能電子衍射技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們已經(jīng)可以對(duì)鈣鈦礦過(guò)渡金屬氧化物的生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別控制，為研究復(fù)雜氧化物界面上的多種自由度耦合奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
綜上所述，研究表明，除了雙取代鐵石榴石的自旋軌道耦合效應(yīng)外，還應(yīng)考慮元素取代對(duì)局域原子/電荷/自旋/軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)制，以進(jìn)一步理解耦合效應(yīng)對(duì)功能材料性能的影響。
然而，刺激響應(yīng)型OURTP報(bào)道還很少，而有機(jī)材料中單-三線態(tài)間的自旋軌道耦合弱、三線態(tài)激子的非輻射衰減速率快，氧猝滅三線態(tài)激子等，開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)壽命、高效率且具有刺激響應(yīng)特性的超長(zhǎng)有機(jī)室溫磷光材料仍然存在極大的困難和挑戰(zhàn)。
尤其是，具有合成自旋軌道(SO)相互作用的超冷量子氣體，為研究奇異拓?fù)洮F(xiàn)象，提供了原始平臺(tái)。SO在不同維度合成的相互作用，有不同的特征。一維(1D) SO耦合對(duì)應(yīng)于阿貝爾規(guī)范勢(shì)，而二維SO耦合對(duì)應(yīng)于非阿貝爾規(guī)范勢(shì)，包括二維Dirac和Rashba類型；為了在光學(xué)拉曼晶格中，實(shí)現(xiàn)二維量子反常霍爾(QAH)模型，人們一直在積極研究Dirac類型。
