【摘要】：近年來,通過機(jī)械控制的方式實(shí)現(xiàn)分子器件中局域自旋態(tài)的精確調(diào)控己成為實(shí)驗(yàn)研究的焦點(diǎn)。但是,潛在的物理機(jī)制仍然有些不清楚。本論文致力于納米器件中局域自旋態(tài)調(diào)控的理論研究�；诿芏确汉碚�,結(jié)合級聯(lián)運(yùn)動方程方法和完全活化空間自洽場方法,系統(tǒng)的研究了磁性分子劈裂結(jié)和掃描遂穿顯微鏡裝置中一些新奇的物理現(xiàn)象。對量子態(tài)調(diào)控的精確模擬,能幫助人們理解和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,同時(shí)也可以指導(dǎo)人們設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程。本論文結(jié)構(gòu)安排如下:第一章首先回顧了幾種局域自旋性質(zhì),例如近藤效應(yīng),零場劈裂與磁各向異性等。然后,作為理論研究的出發(fā)點(diǎn),我將著重介紹一些近年來有關(guān)局域自旋調(diào)控的實(shí)驗(yàn)工作。這些實(shí)驗(yàn)工作利用STM探針,自旋極化STM探針或者機(jī)械控制劈裂結(jié)的兩極,實(shí)現(xiàn)了對近藤效應(yīng)或零場劈裂的連續(xù)性調(diào)控。第二章介紹了我們的量子態(tài)調(diào)控模擬中用到的理論研究方法,有廣泛應(yīng)用于多電子體系電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的密度泛函理論(DFT),被用于探索各種量子摻雜系統(tǒng)靜態(tài)或動態(tài)響應(yīng)特性的級聯(lián)運(yùn)動方程方法(HEOM),以及精確處理組態(tài)相關(guān),激發(fā)態(tài)等電子結(jié)構(gòu)問題的完全活化空間自洽場方法(CASSCF)。三種方法取長補(bǔ)短,缺一不可。第三章的模擬工作揭示了 Au-Co(tpy-S)2-Au分子結(jié)在拉伸過程中近藤效應(yīng)的變化。DFT計(jì)算揭示了分子結(jié)拉伸過程中自旋極化電子結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明,系統(tǒng)的局域自旋態(tài)是自旋-1態(tài),且基態(tài)電子結(jié)構(gòu)對初始的分子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)異常敏感。我們也計(jì)算了軸向拉伸過程中磁各向異性的變化,與實(shí)驗(yàn)觀察到的磁各向異性具有相同的變化趨勢。基于自旋軌道分布建立了雙摻雜的安德森模型,并利用HEOM方法模擬了低頻譜函數(shù)和微分電導(dǎo)譜隨著磁各向異性的演化。計(jì)算結(jié)果揭示了各向異性誘導(dǎo)Kondo峰劈裂的現(xiàn)象,這與拉伸分子結(jié)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。也證實(shí)了分子磁體的強(qiáng)電子相關(guān)性和局域磁性對結(jié)構(gòu)形變非常敏感。這些結(jié)果表明DFT與HEOM方法的結(jié)合可用于理解和設(shè)計(jì)力學(xué)控制的分子劈裂結(jié)實(shí)驗(yàn)。在第四章介紹的工作中,我們從理論上研究了吸附在Pb(lll)襯底上的單個鐵(Ⅱ)卟啉分廣中局域自旋態(tài)的STM探針調(diào)控。采用DFT+HEOM方法模擬了STM探針的調(diào)控過程,并結(jié)合CASSCF方法,精確計(jì)算調(diào)控過程中磁各向異性的演化。此外,在整個探針調(diào)控過程中記錄了 STM裝置的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的變化,并揭示了這些變化對磁各向異性的影響。最后,基于DFT計(jì)算我們可以得到在探針調(diào)控過程中分子與襯底,分子與探針之間耦合強(qiáng)度的變化,從而揭示了 Kondo共振和局域自旋激發(fā)之間的共存和競爭。由此可見,基于第一性原理的精確模擬所提供的理解和洞察力將有助于實(shí)現(xiàn)更加迷人的量子態(tài)操控實(shí)驗(yàn)。在第五章中,我們利用HEOM方法研究了自旋極化條件下近藤的不對稱式劈裂。我們發(fā)現(xiàn)近藤劈裂的寬度只與環(huán)境中自旋-α電子和自旋-β電子的態(tài)密度差有關(guān),與總自旋電子密度無關(guān)。而近藤劈裂的左右峰高不對稱性與總態(tài)密度相關(guān)。近藤劈裂在高溫下不明顯,隨著溫度的降低,近藤劈裂逐漸顯現(xiàn)。最后,在第六章中對全論文做了個簡短的總結(jié)和展望。下一步要做的首要工作,就是對現(xiàn)有的研究方法加以改進(jìn)。利用改進(jìn)之后的方法,進(jìn)一步設(shè)計(jì)更為有趣,更為復(fù)雜的量子態(tài)調(diào)控實(shí)驗(yàn)。
【圖文】：

質(zhì)）和（0最終狀態(tài)。（ｇ）費(fèi)米能級附近的態(tài)密度分布。選自文獻(xiàn)［９］。逡逑單能級安德森雜質(zhì)模型能夠很好的解釋量子點(diǎn)系統(tǒng)的近藤效應(yīng)［１０］。其中逡逑磁性雜質(zhì)被看作是具有一個未配對電子的能級句（圖１．２（ｄ））。句以下的所有能逡逑級完全被電子占據(jù)，￡0以上的所有能級都沒有被占用。高于或低于￡0的能級都逡逑不會導(dǎo)致近藤共振。當(dāng)￡0位于費(fèi)米能級以下時(shí)，單電子占據(jù)在ｅ0上形成自旋逡逑１／２態(tài)。原則上在不輸入能量的情況下電子無法跳離雜質(zhì)。然而，通過磁性雜質(zhì)逡逑與傳導(dǎo)電子的交換耦合作用，這種情況可以發(fā)生。在一定的溫度條件下，電子逡逑以時(shí)間尺度＆從磁性雜質(zhì)跳到電極上（圖１．２（ｅ））。與此同時(shí)，來自電極的另逡逑一電子必須跳°到雜質(zhì)能級上以替代跳離的電子（圖１．２（ｆ））。這個新電子的自旋逡逑可以是自旋上也可以是自旋下的。許多這種共遂穿事件的相干疊加會導(dǎo)致局域逡逑自旋的屏蔽。在這種情況下增強(qiáng)的散射是前向散射，它將源電極和漏電極耦合逡逑起來，導(dǎo)致電導(dǎo)率相應(yīng)增加［１１－１３］。從而在態(tài)密度分布圖上費(fèi)米面附近產(chǎn)生近逡逑藤共振峰（圖１．２（ｇ））。逡逑近年來人們研究的近藤效應(yīng)

并且通過改變量子點(diǎn)的負(fù)載電荷或者自旋態(tài)實(shí)現(xiàn)對近藤效應(yīng)的調(diào)控逡逑［９，邋１５－１９］。在２００５年，趙愛迪及其團(tuán)隊(duì)通過ＳＴＭ電壓脈沖改變單分子ＣｏＰｃ的逡逑化學(xué)環(huán)境，從而觀察到非磁性導(dǎo)體表面上磁性離子引起的Ｋｏｎｄｏ效應(yīng)。圖１．３（ａ）逡逑是實(shí)驗(yàn)過程示意圖［１４］。他們證明，當(dāng)鈷酞菁（ＣｏＰｃ）分子吸附在金表面上時(shí)，逡逑Ｃｏ離子與表面態(tài)自由電子耦合作用較弱，所以不顯示Ｋｏｎｄｏ效應(yīng)。然而，通逡逑過ＳＴＭ探針的電壓脈沖使配體脫氫后，Ｋｏｎｄｏ效應(yīng)得以顯現(xiàn)，如圖１．３（ｂ）所逡逑示。這是因?yàn)槊摎浜笳麄�分子的幾何結(jié)構(gòu)大為改變，導(dǎo)致局域自旋態(tài)發(fā)生變化。逡逑２０１４年的一篇理論工作利用ＤＦＴ方法確定了脫氫＾ＣｏＰｃ分子吸附在Ａｕ（ｌ邋１１）表逡逑面的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)單占據(jù)的Ｃｏ邋３毛２軌道提供局域自旋，當(dāng)這個局域自旋逡逑被傳導(dǎo)電子屏蔽時(shí)，便產(chǎn)生近藤效應(yīng)［２０］。在１．３小節(jié)中，我們會詳細(xì)介紹調(diào)控逡逑近藤效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作。逡逑１．２零場分裂與磁各向異性逡逑在了解零場分裂（Ｚｅｒｏ－ｆｉｅｌｄ邋Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）這個概念之前，首先介紹一下塞曼效逡逑應(yīng)（Ｚｅｅｍａｎ邋Ｅｆｆｅｃｔ）邋［２１］。塞曼效應(yīng)是指存在靜磁場的情況下
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O641.1

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6 郭s，

本文編號：2705672