論文の概要: Ab initio Ultrafast Spin Dynamics in Solids

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2012.08711v3
• Date: Thu, 30 Sep 2021 17:41:32 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-20 11:29:25.354816
• Title: Ab initio Ultrafast Spin Dynamics in Solids
• Title（参考訳）: 固体中のab initio超高速スピンダイナミクス
• Authors: Junqing Xu, Adela Habib, Ravishankar Sundararaman, and Yuan Ping
• Abstract要約: 一般固体系の超高速スピンダイナミクスをシミュレートするために,リンドブラッド力学に基づく第一原理実時間密度行列法を提案する。 電子電子散乱は室温では無視できるが、n型GaAsのスピン緩和のために低温では支配的になる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.7874708385247353
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Spin relaxation and decoherence is at the heart of spintronics and spin-based quantum information science. Currently, theoretical approaches that can accurately predict spin relaxation of general solids including necessary scattering pathways and capable for ns to ms simulation time are urgently needed. We present a first-principles real-time density-matrix approach based on Lindblad dynamics to simulate ultrafast spin dynamics for general solid-state systems. Through the complete first-principles descriptions of pump, probe and scattering processes including electron-phonon, electron-impurity and electron-electron scatterings with self-consistent electronic spin-orbit couplings, our method can directly simulate the ultrafast pump-probe measurements for coupled spin and electron dynamics over ns at any temperatures and doping levels. We first apply this method to a prototypical system GaAs and obtain excellent agreement with experiments. We find that the relative contributions of different scattering mechanisms and phonon modes differ considerably between spin and carrier relaxation processes. In sharp contrast to previous work based on model Hamiltonians, we point out that the electron-electron scattering is negligible at room temperature but becomes dominant at low temperatures for spin relaxation in n-type GaAs. We further examine ultrafast dynamics in novel spin-valleytronic materials - monolayer and bilayer WSe2 with realistic defects. We find that spin relaxation is highly sensitive to local symmetry and chemical bonds around defects. Our work provides a predictive computational platform for spin dynamics in solids, which has unprecedented potentials for designing new materials ideal for spintronics and quantum information technology.
• Abstract（参考訳）: スピン緩和とデコヒーレンスはスピントロニクスとスピンベースの量子情報科学の中心にある。 現在、必要な散乱経路を含む一般固体のスピン緩和を正確に予測し、nsからmsシミュレーション時間を早急に予測できる理論的なアプローチが必要である。 一般固体系における超高速スピンダイナミクスをシミュレートするために,lindblad dynamicsに基づく第一原理のリアルタイム密度行列法を提案する。 電子-フォノン, 電子-不純物, 電子-電子散乱, 自己共役電子-軌道カップリングを含む, ポンプ, プローブ, 散乱過程の完全な一原理的記述により, 任意の温度およびドーピングレベルにおけるns上の結合スピンと電子のダイナミクスに対する超高速ポンプ-プローブ測定を直接シミュレートすることができる。 まず、この手法を原型系GaAsに適用し、実験との良好な一致を得る。 異なる散乱機構とフォノンモードの相対的寄与はスピン緩和過程とキャリア緩和過程で大きく異なることが判明した。 モデルハミルトニアンに基づく以前の研究とは対照的に、電子電子散乱は室温では無視できるが、n型GaAsのスピン緩和のために低温では支配的になる。 我々はさらに,現実的欠陥を有する単層および二層wse2のスピンバルブ材料における超高速ダイナミクスについても検討する。 スピン緩和は欠陥周辺の局所対称性や化学結合に非常に敏感である。 我々の研究は、スピントロニクスや量子情報技術に理想的な新しい材料を設計するための前例のないポテンシャルを持つ固体のスピンダイナミクスのための予測計算プラットフォームを提供する。

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