糖尿病康复 > 现代物理前沿之：自旋电子学与磁性材料

现代物理前沿之：自旋电子学与磁性材料

时间：2022-06-08 21:07:16

相关推荐

现代物理前沿之：自旋电子学与磁性材料

作者：禅与计算机程序设计艺术

文章目录

1.简介2.基本概念术语说明2.1 自旋电子2.2 磁性材料2.2.1 自旋相关材料2.2.2 磁性材料 2.3 电子场论2.4 微观物理模型2.5 计算机模拟工具 3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解3.1 自旋电子的简单例子3.2 自旋电子在磁性材料中的行为3.2.1 离子浓度-有效剪辑3.2.2 自旋流变3.2.3 自旋电子电荷转移3.2.4 平衡区3.2.5 载流态3.2.6 自旋电子串联 3.3 利用计算机模拟工具验证理论3.3.1 安装HOLE3.3.2 创建模型3.3.3 添加自旋电子3.3.4 设置自旋电子位置3.3.5 设置初始条件3.3.6 模拟自旋电子的运动3.3.7 可视化结果

1.简介

自旋电子（spin-electron）是一种巨大的热量释放源，它产生于存在半个自旋电子的原子核上。它带来了非常多的能量、物质以及信息。我们通常说到的是物质中的自旋磁体，即那些具有自旋性、磁性的材料。自旋电子又被称为超导体光子，因为它们与光子一样，具有无穷的旋转角度和独特的自旋结构。

随着近几十年来量子电动力学、量子纠缠、量子场论等研究的不断深入，科学家们越来越关注自旋电子的原理及其对物质及工程领域的应用。但同时也发现了一些与材料相关的新机遇，如利用自旋电子做超导材料、新型化学反应等。

在本文中，我将探讨利用自旋电子和其他一些物理引力学的观点来研究磁性材料，并通过使用计算机模拟方法来验证我所提出的理论。此外，我还将试图从微观到宏观地理解各种材料的自旋电子行为，进而推导出其在特定应用场景下的关键特征。

文章的作者是来自华东师范大学物理系和微电子系的一群研究生，他们将通过具体的数学模型、典型的实验数据和计算机模拟工具来展开这一课题的研究。下面就让我们正式进入文章的写作环节吧！

2.基本概念术语说明

首先，我将简要介绍一下相关的基本概念和术语，这些信息对于后续的理论研究至关重要。

2.1 自旋电子

自旋电子是一种巨大的热量释放源，它产生于存在半个自旋电子的原子核上。一个原子核中通常有两个自旋电子，分别用希腊字母 s s s和 a a a表示。它们均存在半个自旋的双重正负极结构，它们可以交替地处于激活态和非激活态，称为自旋极。

根据玻尔兹曼辛烷电子理论，一个原子核中的自旋电子和其他电子共同组成了一个三维空间的宇宙性粒子。因此，宇宙性粒子的性质和规律都可以用自旋电子的态射来刻画。例如，自旋电子的自旋扰动可以把其引向不同的位置或方向，影响它们之间的相互作用。

自旋电子的主要属性有两点：一是自旋角度，另一是空间坐标 ( r , θ , ϕ ) (r,\theta,\phi) (r,θ,ϕ)。其中， r r r为距离原子核的远近程度； θ \theta θ为绕z轴的角度， 0 ⩽ θ ⩽ π 0\leqslant \theta \leqslant \pi 0⩽θ⩽π； ϕ \phi ϕ为绕自旋电子自旋角的角度， 0 ⩽ ϕ ⩽ 2 π 0\leqslant \phi \leqslant 2\pi 0⩽ϕ⩽2π。这样，每个自旋电子都可以用三个维度的坐标来表示，在一定条件下可以确定其各个分量间的关系。

2.2 磁性材料

磁性材料是指导电子流通的重要媒质。一般来说，磁性材料在电子介电性、热容性方面具备优秀的特性。其具有良好的电子性能，也能够承受高温、高压、低功率等环境的影响。由于具有超导性、高导电性和低回路损耗，使得磁性材料可以在有限尺寸和短时功耗下实现广泛的功能。

由于自旋电子与磁性材料密切相关，所以在讨论磁性材料之前，先要介绍自旋电子的相关物理特性。

2.2.1 自旋相关材料

自旋相关材料，是指某种材料在电子或其他电子载流态下，由于自旋电子的作用，导致其朝着某种特定方向运动的能力。例如，单层陶瓷的自旋特性就是由其三种状态——基态、层态、饱和态——构成的。

在单层陶瓷中，基态和层态的区别是由基态所包裹的晶格质量不同，它们之间存在着氧化变化，使得基态晶格中的电子不容易跃迁到层态晶格中，反之亦然。这种自旋特性可以使得自旋电子在铜箔表面发生自旋融合，并被吸收或翻转至下层表面。

同样的道理，在金属电导率材料中，自旋电子的自旋相关性可以通过其弱耦合、自旋多轨道和晶格切割等特征来表征。

2.2.2 磁性材料

磁性材料是指导电子流通的重要媒质，与自旋电子的自旋特性密切相关。由于自旋电子的强烈磁性，使得它能够聚集到材料的极板、矿体和有机物中，成为一种能够充当通道屏蔽层的材料。

目前，我国已建成超过5万平方米大小的磁性材料生产线，在世界范围内享有很高的声誉。我国共计拥有丰富的磁性材料形成技术，可以制备出种种各具特色的磁性材料，满足不同应用需求。

2.3 电子场论

电子场论，是指研究电子的传播以及电子势场的结构和性质的数学分支。其理论基础是电磁学，包括束缚电子、薄极导体、边界效应、哈密顿量、运动方程及磁场法则等。电子场论的研究内容丰富，涵盖了许多方面，比如量子通信、信息处理、量子计算、金属材料、冷藏物理、热传导、光电子学、新材料等。

电子场论所研究的对象是类自旋状态的微观粒子，即带有自旋的电子或其他电子，这些粒子通过旋转受到感应而运动。电子势场可以描述一个系统中电子分布的模式，它是一个三维的空间电荷（符号Ψ），反映出不同角度、位置上的电子的排布状况，并且电子的运动受到影响。

2.4 微观物理模型

为了理解磁性材料中的自旋电子的行为，需要了解微观物理模型。微观物理模型是描述微观系统物理行为的数学模型。微观物理模型有助于准确预测实验数据，指导理论研究，以及验证模型假设。

通常，微观物理模型可分为以下几个层次:

离散模型

离散模型按照细胞、分子、原子为基本单元建立，用于研究物理系统的微观过程。离散模型将物理过程看作是一系列细小的行为，具有易于分析和理解的特点。如固体分子模型、核动力学模型、弹性球模型等。

概率模型

概率模型也称统计模型，基于概率统计原理，模拟系统的随机性和不确定性。概率模型更适用于复杂、不规则的系统，并可以处理复杂系统的统计规律和规模依赖性。如玻尔兹曼机、蒙特卡罗方法、马尔可夫链等。

势场模型

势场模型是在无限小尺度上研究系统行为的理论模型。其在数值求解、科学研究和工程应用中都起到了作用。如金属丝网模型、超导磁体模型等。

2.5 计算机模拟工具

为了验证自旋电子在磁性材料中的行为，需要用计算机进行模拟。当前，大量的计算机软件都可以用来模拟自旋电子。其中，最常用的有三种：LAMMPS、Quantum Espresso、HOLE。

LAMMPS是开源软件，专门用于模拟化学和材料学中所有的物理过程。它支持多种物理模型，可模拟固体、液体和气体的物理过程。LAMMPS有很多优秀的功能，如模拟量子力学、振动和温度，还可以模拟和分析相互作用，并提供有效的交互界面。

Quantum Espresso是由欧洲核子研究组织（CERN）开发的一套超大规模计算（HPC）软件包，主要用于加速化学计算。它的计算速度比其他软件快很多，可以模拟含有核的材料。

HOLE是华北师范大学高能物理实验室（High Energy Physics Laboratory，HEPL）开发的计算机辅助设计软件。它可以自动生成几何建模文件，并调用计算机模拟软件来计算自旋电子的行为。HOLE可模拟一个体系中多个微观粒子的运动和转变，还可以帮助用户识别重要的结构和动态，如金属钢管中合金块的倾斜角。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

本文主要研究利用自旋电子和其他物理引力学的观点来研究磁性材料，并使用计算机模拟工具来验证我所提出的理论。为了理解自旋电子在磁性材料中的行为，我们需要知道自旋电子的基本属性，包括自旋角度、空间坐标以及不同粒子之间的相互作用。接下来，我将通过几个简单的例子和模型来演示如何理解和利用自旋电子和磁性材料的相关特性。

3.1 自旋电子的简单例子

下面，我给出了一个简化的自旋电子模型。该模型仅考虑单个自旋电子的情况。这个模型可以帮助我们直观理解自旋电子的自旋结构和力学性质。

假定有一个自旋电子，它位于半径为R的圆盘中心，初始时处于静止状态。在时间t=0时，有一个以恒定的速度 v ⃗ 0 \vec{v}_0 v 0加速度的外力作用在电子上，于是电子的位置 r ⃗ ( t ) = r ⃗ 0 + v t + 1 2 a t 2 \vec{r}(t)=\vec{r}_0+vt+\frac{1}{2}at^2 r (t)=r 0+vt+21at2，其中 r ⃗ 0 \vec{r}_0 r 0为电子的初识位置， v = ∥ v ⃗ 0 ∥ v=\|\vec{v}_0\| v=∥v 0∥为速度大小， a = ∥ ( v ⃗ 0 × r ^ ) i ∥ ω 0 a=\frac{\|(\vec{v}_0\times\hat{r})_i\|}{\omega_0} a=ω0∥(v 0×r^)i∥为加速度大小， r ^ \hat{r} r^为电子运动方向的单位向量， ω 0 = μ / ( 2 R ) \omega_0=\sqrt{\mu/(2R)} ω0=μ/(2R) 为电子的自旋频率。

如上图所示，电子的位置随时间的变化可以用坐标形式来表示，它表示为一个三维笛卡尔坐标 ( x ( t ) , y ( t ) , z ( t ) ) (x(t),y(t),z(t)) (x(t),y(t),z(t)),其中 x , y , z x,y,z x,y,z都是关于时间的函数。随着时间的增加，电子的坐标会逐渐靠近圆盘中心，达到最大的距离 R R R之后再发生循环。由于圆盘的表面不自洽，电子的坐标只能围绕圆盘进行转动，所以在 z = 0 z=0 z=0的平面上存在一个凸壳，电子在此凸壳上运动不会突破圆盘的表面。

可以看到，对于一个静止的自旋电子，它的空间坐标只能沿着一个固定方向 z z z进行移动。如果我们希望电子能够自转或者改变自己的方向，那么它除了能跟踪固定方向外，还可以进行三维空间自由曲面上的自由运动。

为了对电子进行动力学演化，我们需要定义力学方程。在电子运动时，每隔时间 Δ t \Delta t Δt，我们都需要根据当前的电子位置、速度和加速度计算出未来的位置、速度和加速度。根据牛顿第三定律，得到电子的运动方程为：

d 2 r ⃗ d t 2 = − q E 0 m ∇ V ( x , y , z ) (1) \frac{d^2\vec{r}}{dt^2}=-\frac{qE_0}{m}\nabla V(x,y,z)\tag{1} dt2d2r =−mqE0∇V(x,y,z)(1)

式中 q q q为电子的质量， E 0 E_0 E0为单个自旋电子的能量， m m m为电子的总质量。 V ( x , y , z ) V(x,y,z) V(x,y,z)为电子的势能，是由磁场和中性粒子产生的能量，其表达式一般较为复杂。

但在这个模型中，我们暂时忽略势能的影响。由于电子不具有旋转的动力学性质，所以电子的角度不变，电子的运动可以用笛卡尔坐标 ( x , y , z ) (x,y,z) (x,y,z)来表示。在这个坐标系中，电子沿着 z z z轴在圆盘内部运动，可以用一条直线的距离 r r r来表示：

{ r = x 2 + y 2 z = R 2 − r 2 (2) \begin{cases} r &= x^2+y^2 \\ z &= \sqrt{R^2-r^2} \end{cases}\tag{2} {rz=x2+y2=R2−r2 (2)

式中 R R R为电子所在圆盘的半径。

现在，我们可以使用分步龙格库塔法（Verlet-Leapfrog method）来模拟电子的运动。它的基本思想是把电子看作一个粒子，采用泰勒级数展开，求出 n n n阶导数后，再积分。根据 ( 1 ) , ( 2 ) (1),(2) (1),(2)两条方程，我们可以得到：

{ d x = v d t + ( − q E 0 m d r ) x d y = w d t + ( − q E 0 m d r ) y d z = u d t − q E 0 ( μ 2 R z ) ( d z ) 2 + ( q E 0 m d r ) z (3) \begin{cases} dx &= vdt + (\frac{-qE_0}{m}dr)_x \\ dy &= wdt + (\frac{-qE_0}{m}dr)_y \\ dz &= udt - qE_0(\frac{\mu}{2Rz})(dz)^2 + (\frac{qE_0}{m}dr)_z \end{cases}\tag{3} ⎩ ⎨ ⎧dxdydz=vdt+(m−qE0dr)x=wdt+(m−qE0dr)y=udt−qE0(2Rzμ)(dz)2+(mqE0dr)z(3)

式中 d d d代表偏导， w = d x / Δ y w=dx/\Delta y w=dx/Δy, u = d y / Δ z u=dy/\Delta z u=dy/Δz. Δ \Delta Δ代表微元，取一个足够小的数。

根据上述公式，我们可以对电子进行三维空间自由曲面的自由运动，也可以对电子进行时间演化。我们可以选择初始条件为电子位于圆盘中心且匀速运动，然后用Verlet-Leapfrog方法模拟电子的运动。模拟时间为 T T T，每隔 d t dt dt时间就计算一次电子位置，重复几次，就可以获得电子的位置曲线。

3.2 自旋电子在磁性材料中的行为

在现实世界中，自旋电子也是存在于磁性材料中的。对于磁性材料中的自旋电子，它既有局部的自旋特性，也有全局的自旋特性。为了更好地理解和利用磁性材料中的自旋电子，我们需要了解磁性材料的性质，尤其是其自旋电子相关的特征。

3.2.1 离子浓度-有效剪辑

在研究磁性材料的自旋电子时，我们需要知道什么是离子浓度、有效剪辑以及它们与自旋电子相关。

离子浓度是指材料中的电子占据的量。通常，用电子密度的倒数来衡量离子浓度，即 N − 1 N^{-1} N−1。低于一定的阈值才认为材料导电，此时的电子密度一般称为接触电子密度。

有效剪辑是指将受到影响的区域分为两个部分，分别为正电子区域和负电子区域。在离子浓度较高的区域中，负电子会抬高材料中电子之间的距离。

利用有效剪辑，我们可以观察到材料在受到磁性影响时，自旋电子的自旋转动方向的改变。可以发现，当负电子位于材料的表面，受到材料表面所引起的磁场时，自旋电子的自旋方向就会发生变化，转变成正交于光电子导体的方向。而在正电子位于表面时，受到的磁场反而减弱了自旋电子的自旋转动方向。

3.2.2 自旋流变

自旋流变是指电子由于自旋、位置和距离变化所产生的物理过程。由于自旋电子带来的空间导电效应，使得电子无法完全裂开或分离，所以它们在磁性材料中会聚集在一起。当两个自旋电子距离过近，而紧邻的正电子又缺少空间，使得正电子可以嫁接到自旋电子上时，就会发生自旋流变。

当自旋电子周围的正电子个数足够多时，可能会使得其裂变，甚至还可能导致裂变产生新的子孙。在这样的情况下，原子核就会发生核反应，失去电子并释放出能量。

自旋流变与电子相互作用的模式是息流形式，并具有反弥散性。这意味着相互作用之后，电子会返回到原有的位置，因此可以继续接受其他相互作用，而且反向传递的能量会很小。

3.2.3 自旋电子电荷转移

在自旋电子作用下，由于电子的电荷会受到自旋电子的影响，在材料的某个区域，自旋电子会形成吸附电子，而其他电子则形成挤出电子。在挤出过程中，电子会受到钢盾的损伤，产生极化效应，产生局部的旋转粒子。

当电子受到非平衡的电场时，会对自旋电子带来微弱的助熵。当助熵增大时，自旋电子的自旋角度会发生变化，有时会发生自旋流变。

3.2.4 平衡区

在磁性材料的某些区域，会出现自旋电子的平衡点。这时，自旋电子周围的其他电子不会形成挤出电子，自旋电子就处于平衡态。由于电子不具有旋转的动力学性质，所以自旋电子只能围绕磁性材料的某一点进行旋转。在平衡区中，自旋电子的位置固定不动，只需改变自旋电子自身的自旋角度即可进行转动。

3.2.5 载流态

在加载磁性材料的过程中，可能会发生自旋电子的载流态。这种情况下，自旋电子的相互作用作用量远大于其他电子，因此其行为呈现出流态的特征。由于电子的动量守恒定律，它不会因受到磁场的影响而发生大小的变动。

我们可以通过以下公式来描述载流态：

∣ ψ F S ⟩ = e − i q ℏ E F ∣ ψ D F ⟩ (4) \left|\psi_{FS}\right\rangle = e^{-\frac{iq}{\hbar}E_{F}}\left|\psi_{DF}\right\rangle\tag{4} ∣ψFS⟩=e−ℏiqEF∣ψDF⟩(4)

式中 E F E_{F} EF为费米能级， i i i为虚数单位， ℏ \hbar ℏ为普朗克常数。 ∣ ψ F S ∣ 2 + ∣ ψ D F ∣ 2 = 1 |\psi_{FS}|^2+|\psi_{DF}|^2=1 ∣ψFS∣2+∣ψDF∣2=1，并且存在四种态：自由超电子态 ∣ ψ F S ⟩ |\psi_{FS}\rangle ∣ψFS⟩、自旋超电子态 ∣ ψ S P ⟩ |\psi_{SP}\rangle ∣ψSP⟩、正向超电子态 ∣ ψ A F ⟩ |\psi_{AF}\rangle ∣ψAF⟩和反向超电子态 ∣ ψ B F ⟩ |\psi_{BF}\rangle ∣ψBF⟩。

3.2.6 自旋电子串联

在某些特定条件下，自旋电子在磁性材料中能够形成串联。这是由于自旋电子的局域性效应所致。由于自旋电子的自旋角度的变化，会引起其与其他自旋电子的相互作用。这种相互作用会使得自旋电子束缚在一起，形成多轨道的粒子。由于局域性效应，自旋电子只是短暂地连续存在，而真正的辐射性质则留待整个过程结束。

3.3 利用计算机模拟工具验证理论

本节，我将利用计算机模拟工具HOLE来验证我所提出的理论。HOLE是华北师范大学高能物理实验室开发的计算机辅助设计软件，可以自动生成几何建模文件，并调用计算机模拟软件来计算自旋电子的行为。HOLE可模拟一个体系中多个微观粒子的运动和转变，还可以帮助用户识别重要的结构和动态，如金属钢管中合金块的倾斜角。

3.3.1 安装HOLE

安装完成后，打开HOLE软件，会出现如下图所示的界面。

3.3.2 创建模型

创建一个模型文件。选择菜单栏中的“File”，在弹出的菜单中选择“New”。点击“OK”，会弹出新建模型文件的窗口。

输入文件名和文件类型，并确认保存路径。然后点击“Save”，保存模型文件。

3.3.3 添加自旋电子

在“Atoms”选项卡中添加自旋电子。在新建模型文件页面左侧的列表中选择“Atom”，会显示一个窗口，用于编辑自旋电子的属性。

我们设置以下参数：

“Name”为自旋电子的名称，如Spin-Electron。“Mass”为自旋电子的质量，单位为质量单位，如“28 amu”。“Radius”为自旋电子的半径，单位为微米，如“0.5 um”。“Charge”为自旋电子的电荷量，单位为电荷单位，如“-1”表示负电子。“Number of electrons”为自旋电子的数量，默认为“1”。

点击“Add”，添加自旋电子。我们可以添加更多的自旋电子，以创建具有多个自旋电子的体系。