工程师们开发了一种新的计算方法，能够准确地建模和预测一种称为手性螺旋磁体的磁性分子的特性。他们的工作可能加速新材料的发现，以便用于自旋电子学技术。
在某些磁性分子的深处，原子以螺旋模式排列其自旋，形成称为手性螺旋磁体的结构。这些螺旋自旋模式因其能够为新一代电子设备提供动力的潜力而吸引了研究人员多年的兴趣。然而，解码它们的特性仍然是一个谜——直到现在。
加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究人员开发了一种新的计算方法，利用量子力学计算准确地建模和预测这些复杂的自旋结构。他们的研究成果于2月19日发表在《先进功能材料》上。
“二维层状材料中的螺旋自旋结构已经被实验观察了超过40年。准确预测它们一直是一项长期挑战，” UC圣迭戈分校雅各布工程学院艾索优丰李家庭化学与纳米工程系教授、研究的主要作者杨克松表示。“层状化合物中的螺旋周期最长可达48纳米，这使得在这个尺度上准确计算所有电子和自旋相互作用变得极其困难。”
在这个方法中，研究人员计算了当自旋旋转在相继的原子层之间移动时，手性螺旋磁体的总能量如何变化。通过应用第一性原理量子力学计算，他们能够描绘出这些螺旋结构的关键特征。“我们选择专注于自旋旋转如何影响系统总能量，而不是在较大长度尺度上建模整个系统，”研究的第一作者、杨教授团队中的纳米工程博士生陈云说。“通过使用一个小的超胞并设计优化的自旋配置，我们能够获得高度准确的结果。”
他们在一组含有铬的手性螺旋磁体上测试了他们的方法，铬是一种以其磁性特性著称的金属。团队成功预测了三个关键参数：螺旋波矢，描述自旋螺旋的紧密程度；螺旋周期，即一个完整螺旋转的长度；以及临界磁场，改变螺旋磁体结构所需的外部场强。
“这令人兴奋，因为我们现在可以使用量子力学计算精确建模这些复杂的自旋结构，为设计更好的材料开辟了新机会，”杨说。
这项工作的部分支持来自美国化学学会石油研究基金，拨款编号为65212-ND10。该工作使用了加利福尼亚大学圣迭戈分校的圣迭戈超级计算中心的Expanse集群，通过来自国家科学基金会（NSF）支持的先进网络基础设施协调生态系统：服务与支持（ACCESS）计划的拨款DMR160045。
