磁性隧道结有能量耗散的电子输运理论

课题执行情况良好，基本按照“课题任务书”展开工作并向新的前沿课题延伸，完成课题研究任务，达到预期目标。共发表SCI论文17篇，其中包括Nature Communications 1篇，Physical Review Letters 3篇。重要研究进展包括：1）以自旋陈数理论为基础，提出了时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应，并建议了实验观察这一效应的可能途径；2）建立了无兰道能级的分数量子霍尔效应模型，为研究拓扑电子输运现象指引了新的研究方向。 2100433B

我们计划研究铁磁/绝缘体/铁磁异质隧道结中的通过杂质的有能量耗散的非弹性电子输运现象。我们初步的理论工作表明，对于传统的以氧化铝，氧化镍等为绝缘层的磁性隧道结, 该种输运行为对理解隧道磁电阻的叶尖状零偏压异常是至关重要的。在这个项目中，我们计划考虑（1）电子隧穿矩阵元的能量依赖关系，（2）杂质电子态较为真实的能级分布，将这个理论发展成可以细致描述在实验所涉及的整个偏压范围内隧道磁电阻电压依赖关系的统一理论。进一步我们还将研究以氧化镁为绝缘体的新型磁性隧道结中更为复杂的隧道磁电阻的电压依赖关系。此外，有工作表明，这种有能量耗散的非弹性电子输运理论在其它领域也有重要应用，如高温超导体的STM实验，因此我们还计划应用我们发展的理论到其它前沿领域研究相关的实验问题。

基于热力学基本定律，研究粗粒土受力变形过程中的能量耗散，并据此建立本构关系是本课题的研究目标。为此，首先研究粗粒土摩擦、剪胀及颗粒破碎的能量耗散机制，确定耗散函数；然后利用最小耗能原理，研究耗散函数的驻值条件，确定塑性应变增量方向；对耗散函数进行Legendre变换，得到耗散应力空间中的屈服函数；结合试验，比较等内参量时真实与耗散屈服应力的差别，研究迁移应力，得到真实应力空间中的屈服函数及其硬化规律；最后拟合试验结果，确定模型参数。本课题的研究，掘弃了以德鲁克公设为基础的传统塑性力学理论，具有较为严密的理论基础，对推动岩土工程学科的发展，提高高土石坝应力变形分析的精度及可靠性，具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。

纳米材料的电子输运是新型分子电子器件的物理基础，近年来研究非常活跃。纳米材料的原子结构和电子结构决定了它的电子输运特性，据此可以设计具有不同功能的分子器件。把分子器件按要求组装、排列起来，形成能够完成不同任务的分子电路，不论在技术上还是在理论上都是一个关键问题。目前这方面的实验研究已有所进展，但步履艰难。理论上，研究多个纳米结构在不同相互作用下的电子输运，将对实验有指导作用。. 本项目利用第一原理理论、分子动力学理论和半经典隧穿理论，系统地计算不同结构的纳米碳管、富勒烯分子串联或并联组装于金属电极之间时的电流－电压特性。当分子之间以及分子与电极之间的耦合较弱时，利用半经典隧穿理论计算隧穿电流，而耦合较强时则用第一原理计算。分析这些纳米组装结构的电子输运特性与微观原子结构、电子结构、耦合强度的关系，能够为分子器件组装的设计打下理论基础。 2100433B

耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。