自旋极化STM调控单分子尺度局域量子态的理论研究
批准号:
22103010
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王晓丽
依托单位:
学科分类:
分子电子学与分子磁学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王晓丽
中文摘要
利用自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)实现单分子尺度局域自旋态的精确调控,是量子调控领域的前沿和热点。铁磁性探针与局域量子掺杂之间的磁性交换耦合会诱发很多新奇的物理现象。然而,能解释实验现象潜在机制的物理细节很难从实验中获取,且目前的理论工作多集中于模型计算。本项目拟设计方案嵌套使用密度泛函理论,级联运动方程方法和完全活化空间自洽场方法,精准模拟SP-STM对“分子/表面”复合体系的量子态调控过程。在原子水平上提供调控过程中体系几何与电子结构变化的细节,研究探针顶端形貌和顶端电子结构对调控结果的影响;探索自旋极化条件下Kondo效应和非弹性自旋激发过程,并深度解析实验现象;总结计算方法和调控技巧,形成一套应用于“分子-表面”复合体系量子态调控的比较成熟的理论手段。本项目的完成将为SP-STM调控实验提供独到的见解,并且有助于在一些新型的量子功能材料或器件中实现更为复杂的量子态调控设计。
英文摘要
Applying spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) to characterize and control the local spin states in complex systems, has become one of the research focuses in the field of quantum manipulation. The magnetic exchange coupling between spin-polarized tip and the local spin impurity induces novel physical phenomena, such as the asymmetric Kondo splitting. However, because the physical details (geometric and electronic structures) are difficult to obtain from experiments, and the theoretical works generally focus on model Hamiltonian calculations,the underlying mechanisms of physical phenomena remain somewhat unclear. In this project, based on density functional theory (DFT), supplemented by hierarchical equations of motion (HEOM) approach and complete active space self-consistent field (CASSCF) method , we will investigate theoretically the SP-STM control of quantum states in “molecule/surface ”composite system. We will elucidate the evolution of geometric and electronic structures of the composite junction in the process of tip displacement, explore the influence of tip geommetry and tip material on the quantum behavior of complex system, reveal the underlying mechanisms of the asymmetric Kondo splitting and inelastic spin excitation, and finally form a set of mature theoretical means for the simulation of "molecule / surface" composite systems. The understanding and insight provided by the first-principles-based simulation may help to realize more fascinating quantum state manipulations in advanced functional materials and devices.
单分子器件的诞生大大推动了基于自旋量子比特的量子态调控技术的发展。单分子尺度体系具有丰富的功能结构和独特的量子性质,是未来量子信息技术的最佳物质载体之一。因此,利用有效的实验和理论手段实现单分子尺度量子态的探测、操纵及调控,对于纳米自旋电子器件的未来工程化是极为重要的。.理论模拟自旋极化STM探针调控局域量子态极具挑战性。本项目基于第一性原理,融合级联运动方程(HEOM)和完全活性空间自洽场(CASSCF)方法,精确模拟了SP-STM对单分子/原子尺度局域自旋态的调控过程。该项目包含三个主要研究内容:.研究内容1:深入探究磁性钴探针对FeOEP/Pb(111)系统的自旋态和输运行为的调控机制。相较于非磁性尖端,磁性尖端与FeOEP分子之间的相互作用更为强烈,这导致分子结构发生显著变形,并且促进了从局部环境向Fe-3d轨道的电子转移。此外,磁性尖端与分子之间的铁磁电子相关性在费米能级附近诱发了不对称的Kondo线形。.研究内容2:模拟并对比两种不同磁性尖端对Fe/Cu(100)系统中自旋态和Kondo行为的调控影响。与使用镍尖端的调控过程相比,具有较大磁矩的钴尖端引起了铁原子的更大位移、电子结构的更显著变化,以及与环境之间更强的电荷转移。值得注意的是,钴尖端的高自旋极化特性导致了Kondo共振峰的不对称分裂,且分裂峰之间的间距更宽。.研究内容3:探究了磁性探针对三层夹心二聚铬(II)配合物的自旋调控过程。发现探针靠近引发两个Cr原子的电子结构发生突变,且两者由铁磁相互作用转变为反铁磁相互作用。另外,电荷转移的方向在探针靠近的过程中也随之发生变化。.上述研究强调了DFT+CASSCF+HEOM方法在预测复杂量子现象和解释其背后物理原理方面的精确性。这为开发更复杂的量子调控实验和设计更为精密的量子器件提供了宝贵的理论支持。
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