河北省自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦書

1、河北省自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦書（ 2015年度）一、項(xiàng)目基本情況學(xué)科評(píng)審組：物理組項(xiàng)目名稱鐵磁系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)項(xiàng)目英文名稱Nonlinear dynamics of ferromagnetic system主要完成人李再東,李秋艷,賀鵬斌第一完成人工作單位（蓋章）單位名稱河北工業(yè)大學(xué)推薦單位或推薦專家（蓋章）省教育廳組織機(jī)構(gòu)代碼40170504-4學(xué)科分類名稱1磁學(xué)代碼14050942原子分子物理學(xué)其他學(xué)科代碼14060993磁學(xué)性質(zhì)和磁性材料代碼1405065所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域140-物理學(xué)本項(xiàng)目涉及主要計(jì)劃項(xiàng)目（含基金）任務(wù)下達(dá)單位項(xiàng)目名稱項(xiàng)目編號(hào)起止年限經(jīng)費(fèi)驗(yàn)收時(shí)間科技報(bào)告編號(hào)國(guó)家自然科學(xué)基金(

2、E1)自旋矩作用下鐵磁納米線中磁化強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)108740383年302012-04-20國(guó)家自然科學(xué)基金(E1)光格子冷原子系統(tǒng)的磁性研究108040283年172012-04-20河北省教育廳(D1)河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃CPRC0143年302013-12-01項(xiàng)目投入總經(jīng)費(fèi)77項(xiàng)目起止時(shí)間起始2009-01-01完成2012-12-31 河北省科學(xué)技術(shù)廳二、項(xiàng)目簡(jiǎn)介（限1200字）本項(xiàng)目主要研究鐵磁系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性，共發(fā)表SCI檢索學(xué)術(shù)科研論文18篇，主要研究結(jié)果均發(fā)表在國(guó)際知名物理期刊物理評(píng)論(Phys. Rev. A、Phys. Rev. B)、美國(guó)物理年報(bào)(An

3、n. Phys. (N. Y.)、光通訊(Opt. Commun.)和應(yīng)用物理(J. Appl. Phys.)上。目前8篇代表作的SCI他引99次；被Phys. Rev引用27次。主要研究結(jié)果受到B. A. Malomed、Anatoly Abrashkin and Alexander Soloviev、M. Lakshmanan和V. N. Serkin等物理學(xué)家的關(guān)注和引用。主要內(nèi)容有：1. 玻色鐵磁系統(tǒng)：以物理實(shí)現(xiàn)的著名Salerno模型為研究對(duì)象，考慮同一格點(diǎn)上玻色子之間的碰撞相互作用和格點(diǎn)與格點(diǎn)間光場(chǎng)(磁場(chǎng))長(zhǎng)程偶極相互作用，討論了首次物理實(shí)現(xiàn)的Salerno模型(光格子中旋量玻色-

4、愛因斯坦凝聚體)的磁疇壁動(dòng)力學(xué)；基于磁場(chǎng)調(diào)節(jié)散射長(zhǎng)度和外勢(shì)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治模型，通過Fesbach共振技術(shù)控制孤子的特性，闡述均勻分布玻色-愛因斯坦凝聚體調(diào)制不穩(wěn)定性過程；揭示外勢(shì)作用下玻色-愛因斯坦凝聚體的怪波形成機(jī)制，怪波形成主要是源于能量的積累和原子趨向中心，在不穩(wěn)定的怪波中原子的衰減率可以被外勢(shì)有效控制，為海洋學(xué)上解釋怪波提供借鑒。2. 費(fèi)米鐵磁系統(tǒng)以自旋極化電流驅(qū)動(dòng)的鐵磁納米線為模型，解析了自旋矩對(duì)磁疇壁和磁孤子動(dòng)力學(xué)的影響，解釋了磁疇壁運(yùn)動(dòng)的螺距效應(yīng)，給出高于(低于)臨界電流時(shí)自旋矩的不同作用；討論自旋矩作用下垂直各向異性鐵磁納米線中自旋波與磁孤子的相互作用，在

5、極限條件下得到自旋矩驅(qū)動(dòng)激發(fā)的新穎磁怪波，深入分析了磁怪波形成機(jī)制和磁振子密度變化等特性，發(fā)現(xiàn)自旋矩的新作用，即能夠調(diào)節(jié)磁振子在背景和孤子間的交換率?；诎孕氐腖andau-Lifshitz-Gilbert方程，發(fā)現(xiàn)自旋極化電流和釘扎層磁矩的變化會(huì)改變磁場(chǎng)激發(fā)的鐵磁共振譜，包括共振磁場(chǎng)、共振線寬、進(jìn)動(dòng)軸、進(jìn)動(dòng)頻率等。全電流鐵磁共振可通過調(diào)節(jié)直流電流密度或者交流電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)動(dòng)頻率、磁矩的平衡位置、共振線寬和位置以及能量的泵浦和耗散均可通過改變電流密度和釘扎層磁化強(qiáng)度的取向來(lái)調(diào)節(jié)。以自旋極化電流作用下的磁多層膜為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了電流和釘扎層的磁化強(qiáng)度取向共同調(diào)控的自由層中磁化強(qiáng)度運(yùn)

6、動(dòng)的穩(wěn)定性，給出了平行、反平行、平面內(nèi)及平面外等組態(tài)的相圖，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋控制的微電子學(xué)器件提供了理論基礎(chǔ)。三、項(xiàng)目詳細(xì)內(nèi)容（限8頁(yè)）（1）總體思路基于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息存儲(chǔ)和讀取提出了越來(lái)越高的要求，各種鐵磁系統(tǒng)中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)備受廣泛關(guān)注，制備低成本且快速、穩(wěn)定的信息存儲(chǔ)和讀取的設(shè)備器件、或者是發(fā)展更快速、穩(wěn)定的信息讀取和存儲(chǔ)方案變得越來(lái)越重要。計(jì)算機(jī)中信息的存儲(chǔ)和讀取速度在原理上依賴于磁化強(qiáng)度激發(fā)態(tài)的運(yùn)動(dòng)：即自旋波、磁疇壁、磁孤子和渦旋等磁矩的各種分布狀態(tài)。傳統(tǒng)的鐵磁體是由費(fèi)米子組成的，格點(diǎn)之間的相互作用主要來(lái)源于電子的庫(kù)侖交換相互作用和泡利不相容原理的限制，這種相互作用導(dǎo)致自旋波的不穩(wěn)定性，

7、進(jìn)而形成磁疇壁和磁孤子。近十幾年來(lái)，伴隨著玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)和理論的研究進(jìn)展，人們利用光格子囚禁的玻色-愛因斯坦凝聚體，實(shí)現(xiàn)玻色鐵磁系統(tǒng)。這些玻色鐵磁系統(tǒng)中，與自旋相關(guān)的平均場(chǎng)能量主要決定了光格子中凝聚體基態(tài)和激發(fā)態(tài)的性質(zhì)，而光場(chǎng)(磁場(chǎng))導(dǎo)致的格點(diǎn)與格點(diǎn)之間的偶極-偶極相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致玻色-愛因斯坦凝聚體陣列宏觀上的自發(fā)磁化、自旋波和磁孤子等現(xiàn)象，這與傳統(tǒng)費(fèi)米鐵磁的海森伯模型極為類似，所不同的是傳統(tǒng)鐵磁的海森伯模型中是費(fèi)米子，而光格子中凝聚體是玻色子。本項(xiàng)目主要研究鐵磁系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)，主要內(nèi)容有：1. 玻色鐵磁系統(tǒng)以物理實(shí)現(xiàn)著名的Salerno模型為研究對(duì)象，考慮同一格點(diǎn)上玻色子

8、之間的碰撞相互作用和格點(diǎn)與格點(diǎn)之間光場(chǎng)(磁場(chǎng))長(zhǎng)程偶極相互作用，討論了物理實(shí)現(xiàn)的Salerno模型(光格子中旋量玻色-愛因斯坦凝聚體)的磁疇壁動(dòng)力學(xué)；基于磁場(chǎng)調(diào)節(jié)散射長(zhǎng)度和外勢(shì)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治模型，實(shí)現(xiàn)Fesbach共振技術(shù)控制孤子的特性，闡述均勻分布玻色-愛因斯坦凝聚體調(diào)制不穩(wěn)定性過程；揭示外勢(shì)作用下玻色-愛因斯坦凝聚體的怪波形成機(jī)制，怪波的形成主要是源于能量的積累和原子趨向中心，在不穩(wěn)定的怪波中原子的衰減率可以被外勢(shì)有效控制，為海洋學(xué)上解釋怪波提供借鑒。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理期刊物理評(píng)論(Phys. Rev. A)、和Opt. Commun.和Eur. Phys. J.

9、 D上。2. 費(fèi)米鐵磁系統(tǒng)以自旋極化電流驅(qū)動(dòng)的鐵磁納米線為模型，解析了自旋矩對(duì)于磁疇壁和磁孤子動(dòng)力學(xué)的影響，解釋了磁疇壁運(yùn)動(dòng)的螺距效應(yīng)，給出高于(低于)臨界電流時(shí)自旋矩的不同作用；討論自旋矩作用下垂直各向異性鐵磁納米線中自旋波與磁孤子的相互作用，在極限條件下得到自旋矩驅(qū)動(dòng)激發(fā)的新穎磁怪波，深入分析了磁怪波的形成機(jī)制和磁振子密度變化等特性，得到自旋矩的新作用體現(xiàn)在能夠調(diào)節(jié)磁振子在背景和孤子間的交換率?；诎孕氐腖andau-Lifshitz- Gilbert方程，發(fā)現(xiàn)自旋極化電流和釘扎層磁矩的變化會(huì)改變磁場(chǎng)激發(fā)的鐵磁共振譜，包括共振磁場(chǎng)、共振線寬、進(jìn)動(dòng)軸、進(jìn)動(dòng)頻率等。全電流鐵磁共振可通過調(diào)

10、節(jié)直流電流密度或者交流電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)動(dòng)頻率、磁矩的平衡位置、共振線寬和位置以及能量的泵浦和耗散可通過改變電流密度和釘扎層磁化強(qiáng)度的取向來(lái)調(diào)節(jié)。以自旋極化電流作用下的磁多層膜為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了電流和釘扎層的磁化強(qiáng)度取向共同調(diào)控的自由層中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，給出了平行、反平行、平面內(nèi)及平面外等組態(tài)的相圖，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋控制的微電子學(xué)器件提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理期刊物理評(píng)論(Phys. Rev. B)、美國(guó)物理年報(bào)(Ann. Phys. ( N. Y.)和應(yīng)用物理(J. Appl. Phys.)上，受到國(guó)內(nèi)外同行學(xué)者關(guān)注和引用。（2）科學(xué)技術(shù)內(nèi)容（主要發(fā)現(xiàn)）1. Salern

11、o 模型的物理實(shí)現(xiàn)和玻色鐵磁系統(tǒng)的疇壁動(dòng)力學(xué)1992年國(guó)際著名物理學(xué)家Salerno 在其文章（Phys. Rev. A 46, 6856）中提出Salerno 模型，它包含onsite 和insite 兩種非線性項(xiàng)。以囚禁在光格子中旋量玻色-愛因斯坦凝聚體為模型，考慮同一格點(diǎn)上玻色子之間的碰撞相互作用和格點(diǎn)與格點(diǎn)間光場(chǎng)(磁場(chǎng))引起的長(zhǎng)程偶極相互作用，它正好提供了Salerno 模型的實(shí)際物理實(shí)現(xiàn)過程。圖 1a. 反對(duì)稱的雙疇壁組態(tài)圖 1b. 對(duì)稱的雙疇壁組態(tài)在本研究中主要發(fā)現(xiàn)：i) 對(duì)于藍(lán)失諧的光格子，凝聚體被囚禁在光格子的波節(jié)處，此時(shí)磁場(chǎng)導(dǎo)致的偶極相互作用占主要地位。得到凝聚體的靜態(tài)疇壁解

12、，且雙疇壁具有的對(duì)稱和非對(duì)稱兩種形態(tài)(見圖1)。ii) 對(duì)于紅失諧的光格子，凝聚體被囚禁在光格子的波腹處，光場(chǎng)導(dǎo)致的偶極相互作用占主導(dǎo)地位。發(fā)現(xiàn)光場(chǎng)(磁場(chǎng))引起的偶極-偶極相互作用對(duì)于光格子中玻色-愛因斯坦凝聚體形成各種疇壁組態(tài)起關(guān)鍵作用。此外，和自旋矩(磁場(chǎng))作用下費(fèi)米鐵磁的疇壁動(dòng)力學(xué)相比，光場(chǎng)和磁場(chǎng)導(dǎo)致的偶極相互作用還可用來(lái)驅(qū)動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)(見圖2)，這和費(fèi)米子鐵磁體中自旋極化電流(外磁場(chǎng))驅(qū)動(dòng)疇壁具有類似性，它將對(duì)光格子中旋量玻色-愛因斯坦凝聚的疇壁動(dòng)力學(xué)研究有借鑒作用，研究結(jié)果已發(fā)表在國(guó)際物理期刊Phys. Rev. A，詳見論文目錄1，已受到國(guó)際同行關(guān)注和引用，SCI他引19次。圖 2.

13、 相向運(yùn)動(dòng)的疇壁碰撞特性2. 磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的螺距效應(yīng)自旋矩的研究自旋電子學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一，預(yù)期在計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)、讀取及處理等方面有潛在應(yīng)用價(jià)值。以絕熱自旋矩作用下鐵磁納米線為模型，分析自旋極化電流電流驅(qū)動(dòng)下鐵磁納米線的疇壁動(dòng)力學(xué)特性。主要結(jié)果是：i) 自旋極化電流低于臨界值時(shí)，體系存在定態(tài)疇壁解，表明此條件下自旋極化電流不能夠驅(qū)動(dòng)疇壁持久運(yùn)動(dòng)。其原因在于自旋極化電流同時(shí)具有反阻尼和反進(jìn)動(dòng)的雙重作用，恰好抵消鐵磁納米線中內(nèi)部有效場(chǎng)導(dǎo)致的進(jìn)動(dòng)和吉伯阻尼，因此達(dá)到平衡形成靜態(tài)疇壁。ii) 自旋極化電流高于臨界值時(shí)，上述平衡關(guān)系被打破。從修正Landau-Lifshitz-Gilbert方程出發(fā)，

14、重點(diǎn)考察疇壁中心的運(yùn)動(dòng)，理論分析發(fā)現(xiàn)自旋極化電流所起作用與低于臨界值時(shí)作用完全相反，從而形成磁化強(qiáng)度的螺距效應(yīng)，主要表現(xiàn)為疇壁速度和寬度的周期性變化(圖3)；當(dāng)電流超過臨界值時(shí)，疇壁的寬度變化幅度較大，這說(shuō)明恒定磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)的Walker 分析方法不能推廣到自旋極化電流(超過臨界值)驅(qū)動(dòng)疇壁的研究中。結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理期刊：J. Phys.: Condens. Matter。詳見論文目錄2，SCI他引2次。圖 3. 絕熱自旋矩下鐵磁納米線中疇壁動(dòng)力學(xué)(a-c)和疇壁位移(d)3. 磁怪波盡管科學(xué)家通過各類物理系統(tǒng)，如光纖、鐵磁體、玻色-愛因斯坦凝聚體等得到很多研究成果，但是仍然有許多未解之

15、謎。在這些未解之謎中，源于海洋學(xué)的怪波正成為物理科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。在海洋學(xué)上它被描述為“毫無(wú)任何征兆的情況下，在平靜的海平面上突然出現(xiàn)一個(gè)波峰極高同時(shí)伴隨較深水溝的波包，隨后波包很快的消失得無(wú)影無(wú)蹤，其巨大的破壞力嚴(yán)重地威脅航海安全”。有限的記載顯示它出現(xiàn)在環(huán)境復(fù)雜的遠(yuǎn)海地帶，因此怪波形成的物理機(jī)制至今都不太明確。圖 4. 磁振子密度分布圖，其中(a)怪波形成時(shí)的磁振子密度本研究以各向異性鐵磁納米線為模型，在鐵磁系統(tǒng)中解釋怪波的成因，對(duì)于解釋其他系統(tǒng)的怪波(包括海洋怪波)提供借鑒?；谶_(dá)布變換技巧，討論了自旋矩作用下垂直各向異性鐵磁納米線中自旋波與磁孤子的相互作用，在極限條件下得到自旋矩驅(qū)動(dòng)激

16、發(fā)的新穎磁怪波，并深入分析了磁怪波的形成機(jī)制和磁振子密度變化等特性。主要研究創(chuàng)新結(jié)果為：i) 局域自旋波和周期進(jìn)動(dòng)的磁孤子之間相互作用具有呼吸特性，對(duì)于孤子的振幅具有時(shí)間周期性。孤子速度和寬度可以通過自旋波的振幅和波數(shù)調(diào)控，并且由自旋矩所決定。ii) 闡釋了磁怪波的演化機(jī)制(圖4)。發(fā)現(xiàn)：a) 帶有強(qiáng)呼吸特點(diǎn)的磁怪波是由于能量和磁振子從背景向中間積聚，從背景中丟失的磁振子完全轉(zhuǎn)移到磁怪波的鼓包中；b) 臨界電流條件：在臨界電流以下，磁振子的交換隨著電流的增加而降低。在臨界電流以上，磁振子的交換隨著電流的增加而增加，自旋矩起到完全相反的作用；c)自旋矩的新作用，能夠調(diào)節(jié)磁振子在背景和孤子間的交換

17、率，使得怪波僅是在時(shí)間空間上的震蕩，體現(xiàn)出不穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的特性。研究結(jié)果發(fā)表國(guó)際物理學(xué)期刊Ann. Phys. (New York)。詳見論文目錄3，已受到國(guó)際同行關(guān)注和引用，SCI他引2次。4. 磁性多層膜中鐵磁共振和磁組態(tài)相圖鐵磁共振是一種探測(cè)材料和器件磁性非常有用的實(shí)驗(yàn)手段。磁性多層膜(包括自旋閥、磁性隧道結(jié)等)在磁存儲(chǔ)和信息處理等方面具有很大的應(yīng)用前景。目前，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)將鐵磁共振技術(shù)發(fā)展應(yīng)用于100nm以下的磁性器件，這為了解磁性多層膜中電流驅(qū)動(dòng)的磁動(dòng)力學(xué)提供了新的實(shí)驗(yàn)手段。傾斜各向異性磁性薄模已經(jīng)在磁存儲(chǔ)方面有所研究，但還未見用于制備磁性多層膜，傾斜各向異性為降低磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界電流和改

18、善微波發(fā)射功率提供了新的選擇?；诎孕氐腖andau-Lifshitz-Gilbert方程，發(fā)現(xiàn)自旋極化電流和釘扎層磁矩的變化，會(huì)改變磁場(chǎng)激發(fā)的鐵磁共振譜，包括共振磁場(chǎng)、共振線寬、進(jìn)動(dòng)軸、進(jìn)動(dòng)頻率等(圖5)。通過討論共振線寬隨電流密度和釘扎層磁化強(qiáng)度方向的變化，我們發(fā)現(xiàn)在某些釘扎磁化強(qiáng)度取向，共振線寬會(huì)隨著電流密度的變化趨近于零。共振線寬和系統(tǒng)的能量耗散有聯(lián)系，因此，可通過調(diào)節(jié)電流和釘扎層磁化強(qiáng)度的方向，改善磁性系統(tǒng)從自旋極化電流獲取能量的效率，進(jìn)一步可降低磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界電流和提高微波發(fā)射的效率。圖 5 不同電流密度下的鐵磁共振譜傳統(tǒng)上鐵磁共振由一個(gè)射頻磁場(chǎng)激發(fā)，通過調(diào)節(jié)直流磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

19、考慮自旋極化電流和局域磁矩的耦合，也可用射頻電流激發(fā)鐵磁共振，通過調(diào)節(jié)直流電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比和磁場(chǎng)耦合，局域磁矩和自旋極化電流的耦合具有局域性，對(duì)納米尺度的磁體中磁動(dòng)力學(xué)的控制會(huì)更加精確、易調(diào)控。我們研究了具有傾斜各向異性的磁性多層膜中電流激發(fā)和調(diào)節(jié)的鐵磁共振。全電流鐵磁共振可通過調(diào)節(jié)直流電流密度或者交流電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)動(dòng)頻率、磁矩的平衡位置、共振線寬和位置以及能量的泵浦和耗散均可通過改變電流密度和釘扎層磁化強(qiáng)度的取向來(lái)調(diào)節(jié)(圖6)。對(duì)于鐵磁體，自旋極化電流具有泵浦能量和耗散能量的雙重作用。在由電流和釘扎層磁化強(qiáng)度取向確定的某些區(qū)域，有效的阻尼系數(shù)會(huì)降低到零甚至小于零，此時(shí)能量泵浦最為有效

20、，更加容易實(shí)現(xiàn)磁矩的翻轉(zhuǎn)和進(jìn)動(dòng)。通過選擇合適的電流密度和釘扎層磁矩取向，可以改善電流驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)和微波振蕩的效率。圖6 直流電流密度和交流電頻率調(diào)節(jié)的鐵磁共振具有垂直各向異性的磁多層膜可以實(shí)現(xiàn)更小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和更快的磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)，因而具有比平面磁晶各向異性更好的潛在應(yīng)用前景，且實(shí)驗(yàn)上已有制備傾斜各向異性鐵磁薄模和多層膜的技術(shù), 預(yù)期該材料磁記錄在磁存儲(chǔ)密度和磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)方面具有優(yōu)越性。以自旋極化電流作用下的磁多層膜為研究對(duì)象，運(yùn)用穩(wěn)定性分析等方法，求解描述磁多層膜中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程，詳細(xì)分析了電流和釘扎層的磁化強(qiáng)度取向這

21、兩個(gè)因素共同調(diào)控的自由層中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，給出了包括平行、反平行、在平面內(nèi)及平面外的進(jìn)動(dòng)和雙穩(wěn)態(tài)等多種磁化強(qiáng)度的不同組態(tài)的相圖(圖7)，其磁化強(qiáng)度的演化具有不同特點(diǎn)，調(diào)節(jié)釘扎層極化取向，可以實(shí)現(xiàn)不同組態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，例如：平行到反平行態(tài)，穩(wěn)態(tài)到進(jìn)動(dòng)態(tài)等。圖 7. 磁組態(tài)相圖本研究重點(diǎn)討論了磁性多層膜中鐵磁共振和磁組態(tài)相圖分析，研究結(jié)果均發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)期刊Phys. Rev. B和J. Appl. Phys.，見論文目錄4-6。該研究結(jié)果已受到國(guó)際同行關(guān)注和引用，SCI他引19次。5. 玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治孤子動(dòng)力學(xué)、怪波玻色-愛因斯坦凝聚體具有多方面的良好性質(zhì)，研究成果豐富，凝聚

22、體非線性動(dòng)力學(xué)的探索一直是熱點(diǎn)問題。玻色-愛因斯坦凝聚中亮孤子以物質(zhì)波包的非彌散為特征，實(shí)際上代表了該體系的基態(tài)；而暗孤子體現(xiàn)為粒子分布的凹槽，它的能量要高于玻色-愛因斯坦凝聚的基態(tài)能量，因此和亮孤子相比，暗孤子代表了體系真正的激發(fā)態(tài)。自治孤子是指非線性演化方程中不顯含時(shí)間，時(shí)間只起到獨(dú)立變量的作用。但系統(tǒng)在含時(shí)外場(chǎng)作用下，其孤子動(dòng)力學(xué)與自治相比具有很多獨(dú)特性，其主要特征表現(xiàn)為：變化的振幅、速率和波譜，而這些均通過含時(shí)外勢(shì)進(jìn)行控制，因此被稱為非自治孤子，這個(gè)概念首先被著名光孤子科學(xué)家V. N. Serkin 等在物理評(píng)論快報(bào)Phys. Rev. Lett., 98, 074102 (2007)

23、上提出。(a) 重力場(chǎng)與含時(shí)磁場(chǎng)共同作用下具有吸引相互作用玻色-愛因斯坦凝聚體是研究非自治孤子的良好模型，基于此我們將Hirota 方法推廣到線性任意含時(shí)外勢(shì)下的非線性薛定諤方程，得到了含時(shí)外勢(shì)下玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治暗孤子解。與自治孤子相比：非自治孤子的寬度、速度和形狀均可以通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來(lái)控制，并且兩個(gè)暗孤子之間的碰撞是彈性的。(b) 玻色-愛因斯坦凝聚體原子之間相互作用可用Fesbach共振技術(shù)調(diào)節(jié)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)孤子的控制，也是非常好的非自治系統(tǒng)。以排除勢(shì)作用下具有含時(shí)散射長(zhǎng)度的準(zhǔn)一維玻色-愛因斯坦凝聚體為模型，主要發(fā)現(xiàn)：i) 孤子的寬度、速度和形狀均可通過Fesbach共振技

24、術(shù)調(diào)節(jié)的散射長(zhǎng)度控制。ii) 原子間相互作用是吸引或是排斥時(shí)，總粒子數(shù)是守恒的。iii) 闡述均勻分布玻色-愛因斯坦凝聚體調(diào)制不穩(wěn)定性過程，并且得出條紋的形成實(shí)際上是擾動(dòng)的亮、暗孤子的交疊所致。iv) 闡釋了外勢(shì)作用下玻色-愛因斯坦凝聚體的怪波形成機(jī)制，怪波的形成主要是源于能量的積累和原子趨向中心，在不穩(wěn)定的怪波中原子的衰減率可以被外勢(shì)有效控制，為海洋學(xué)上解釋怪波提供了借鑒。上述結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)期刊Opt. Commun.和Eur. Phys. J. D, 見論文目錄7和8，該結(jié)果已受到知名物理學(xué)家V. N. Serkin、Anatoly Abrashkin and Alexander S

25、oloviev、和M. Lakshmanan的關(guān)注和引用。目前，SCI他引57次 (3) 科學(xué)價(jià)值本課題分別研究鐵磁系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性，主要科學(xué)價(jià)值為：1. Salerno模型的物理實(shí)現(xiàn)和玻色鐵磁系統(tǒng)中磁化強(qiáng)度的非線性動(dòng)力學(xué)考慮同一格點(diǎn)上玻色子之間的碰撞相互作用和格點(diǎn)與格點(diǎn)之間光場(chǎng)（磁場(chǎng)）引起的長(zhǎng)程偶極相互作用，發(fā)展了達(dá)布變換和Hirota方法等多種求解非線性方程的理論技巧，豐富了關(guān)于磁性的全面理解和研究手段，研究結(jié)果受到著名物理學(xué)家B. A. Malomed關(guān)注和多次引用(詳細(xì)見后面學(xué)術(shù)界公認(rèn)程度)，在其引文中明確指出Salerno模型本來(lái)是一個(gè)純理論模型，而我們的研究結(jié)果是Salern

26、o模型的物理實(shí)現(xiàn)，該結(jié)果為Salerno模型研究的開創(chuàng)性工作。并且該結(jié)果和自旋矩(磁場(chǎng))作用下費(fèi)米鐵磁的疇壁動(dòng)力學(xué)相比，光場(chǎng)和磁場(chǎng)導(dǎo)致的偶極相互作用還可用來(lái)驅(qū)動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)和費(fèi)米子鐵磁體中自旋極化電流(外磁場(chǎng))驅(qū)動(dòng)疇壁具有類似性。2. 自旋極化電流驅(qū)動(dòng)下鐵磁中磁化強(qiáng)度的螺距效應(yīng)、磁怪波未來(lái)社會(huì)對(duì)信息存儲(chǔ)和讀取提出了越來(lái)越高的要求，各種鐵磁系統(tǒng)中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)備受廣泛關(guān)注，發(fā)展更快速、穩(wěn)定的信息讀取和存儲(chǔ)方案變得越來(lái)越重要。費(fèi)米鐵磁體中自旋波、磁疇壁和磁孤子是重要的激發(fā)態(tài)，其動(dòng)力學(xué)是未來(lái)自旋電子學(xué)的理論基礎(chǔ)。以自旋極化電流驅(qū)動(dòng)的鐵磁納米線為模型，解析了自旋矩對(duì)于磁疇壁和磁孤子動(dòng)力學(xué)的影響，解釋了磁疇壁

27、運(yùn)動(dòng)的螺距效應(yīng)，給出高于(低于)臨界電流時(shí)自旋矩的不同作用；討論自旋矩作用下垂直各向異性鐵磁納米線中自旋波與磁孤子的相互作用，得到自旋波解和基態(tài)背景下的磁孤子解；并在極限條件下得到自旋矩驅(qū)動(dòng)激發(fā)的新穎磁怪波，深入分析了磁怪波的形成機(jī)制和磁振子密度變化等特性。給出臨界電流條件：在臨界電流以下，磁振子的交換隨著電流的增加而降低。在臨界電流以上，磁振子的交換隨著電流的增加而增加，自旋矩起到完全相反的作用；自旋矩的新作用體現(xiàn)在能夠調(diào)節(jié)磁振子在背景和孤子間的交換率。3. 磁性多層膜中鐵磁共振和磁組態(tài)相圖鐵磁共振是探測(cè)材料和器件磁性非常有用的實(shí)驗(yàn)手段，磁性多層膜(包括自旋閥、磁性隧道結(jié)等)在磁存儲(chǔ)和信息處

28、理等方面具有很大的應(yīng)用前景?；诎孕氐腖andau-Lifshitz- Gilbert方程，發(fā)現(xiàn)自旋極化電流和釘扎層磁矩的變化會(huì)改變磁場(chǎng)激發(fā)的鐵磁共振譜，包括共振磁場(chǎng)、共振線寬、進(jìn)動(dòng)軸、進(jìn)動(dòng)頻率等?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電流和釘扎層磁化強(qiáng)度的方向，改善磁性系統(tǒng)從自旋極化電流獲取能量的效率，進(jìn)一步可降低磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界電流和提高微波發(fā)射的效率。全電流鐵磁共振可通過調(diào)節(jié)直流電流密度或者交流電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)動(dòng)頻率、磁矩的平衡位置、共振線寬和位置以及能量的泵浦和耗散均可通過改變電流密度和釘扎層磁化強(qiáng)度的取向來(lái)調(diào)節(jié)。在由電流和釘扎層磁化強(qiáng)度取向確定的某些區(qū)域，有效的阻尼系數(shù)會(huì)降低到零甚至小于零，此時(shí)能量泵浦最

29、為有效，更加容易實(shí)現(xiàn)磁矩的翻轉(zhuǎn)和進(jìn)動(dòng)。通過選擇合適的電流密度和釘扎層磁矩取向，可以改善電流驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)和微波振蕩的效率。以自旋極化電流作用下的磁多層膜為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了電流和釘扎層的磁化強(qiáng)度取向共同調(diào)控的自由層中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，給出了平行、反平行、平面內(nèi)及平面外等組態(tài)的相圖，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋控制的微電子學(xué)器件提供了理論基礎(chǔ)。4. 玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治孤子和怪波玻色-愛因斯坦凝聚體為未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算等諸多前沿研究的提供了重要平臺(tái)，其中凝聚體非線性動(dòng)力學(xué)的探索一直是熱點(diǎn)問題。系統(tǒng)在某種形式的含時(shí)外勢(shì)下，其孤子在運(yùn)動(dòng)過程中具有變化的振幅、速率和波譜，形成非自治孤子，這個(gè)概念在200

30、7年被著名光孤子科學(xué)家V. N. Serkin等人在物理評(píng)論快報(bào)Phys. Rev. Lett., 98, 074102 (2007)上明確提出。本研究基于磁場(chǎng)調(diào)節(jié)散射長(zhǎng)度和外勢(shì)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治模型，實(shí)現(xiàn)了通過Fesbach共振技術(shù)控制孤子的特性，闡述均勻分布玻色-愛因斯坦凝聚體調(diào)制不穩(wěn)定性過程。闡釋了外勢(shì)作用下玻色-愛因斯坦凝聚體的怪波形成機(jī)制，怪波的形成主要是源于能量的積累和原子趨向中心，在不穩(wěn)定的怪波中原子的衰減率可以被外勢(shì)有效控制，為海洋學(xué)上解釋怪波提供了借鑒。(4) 學(xué)術(shù)界公認(rèn)程度本項(xiàng)目主要研究鐵磁系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性，共發(fā)表SCI檢索學(xué)術(shù)科研論文18篇，主要研

31、究結(jié)果均發(fā)表在國(guó)際知名物理期刊物理評(píng)論(Phys. Rev. A、Phys. Rev. B)、美國(guó)物理年報(bào)(Ann. Phys. (N. Y.)、光通訊(Opt. Commun.,)和應(yīng)用物理(J. Appl. Phys.)上。目前八篇代表作的SCI他引99次；被Phys. Rev引用27次。主要結(jié)果受到B. A. Malomed、Anatoly Abrashkin and Alexander Soloviev和M. Lakshmanan等著名物理學(xué)家關(guān)注和引用。主要引用及評(píng)價(jià)為：1. Salerno模型的物理實(shí)現(xiàn)和玻色鐵磁系統(tǒng)中磁化強(qiáng)度的非線性動(dòng)力學(xué)物理實(shí)現(xiàn)Salerno 模型的研究結(jié)果發(fā)表

32、在國(guó)際物理期刊物理評(píng)論P(yáng)hys. Rev. A 81, 015602 (2010)上，目前SCI他引19次,其中被Phys. Rev. 他引5次。著名物理學(xué)家B. A. Malomed在文章Phys. Rev. A 87, 063621 (2013)和Phys. Rev. A 88, 053630 (2013)中評(píng)述該結(jié)果為：a) “In the dipolar BEC, one possibility for the creation of such a lattice is to usea condensate of atoms or molecules with permanent ma

33、gnetic or electric dipolar moments, and apply a spatially nonuniform polarizing field, under the action of which the mutual orientation of the moments varies in space periodically. Another approach maymake use of a condensate of polarizable atoms or molecules, in which the moments are induced by the

34、 external field, whose strength varies periodically along the system.” b) “The subject of the present work is to predict the creation of stable bright solitons in nearly 2D or 1D dipolar condensates, which are trapped, respectively (by means of an appropriate optical potential), in a thin layer clos

35、e to z = 0 (or in a “cigar” around axis x), with the local strength of the repulsive DDI growing fast enough. This situation can be implemented in the case when the atoms or molecules do not carry permanent electric or magnetic dipole moments but rather ones induced by external electric or magnetic

36、fields. To the best of our knowledge, the formation of solitons or other nonlinear modes in the gas of dipoles induced by inhomogeneous external fields was not investigated previously in any setting.”2. 自旋極化電流驅(qū)動(dòng)下鐵磁中磁化強(qiáng)度的螺距效應(yīng)、磁怪波鐵磁納米線中自旋極化電流引起疇壁的螺距效應(yīng)和磁怪波的研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理期刊J. Phys.: Condens. Matter和Ann. Ph

37、ys. (N. Y.)上，SCI 影響因子分別為2.22和3.07。該研究結(jié)果并受到著名學(xué)者的關(guān)注和引用，SCI他引4次，羅馬尼亞學(xué)者Iulian Petrila and Alexandru Stancu在其引文中評(píng)述為：“The switching field expression (18) obtained from the present symmetry considerations is similar to the switching field obtained from domain-wall motion. Due to its simple form the VH mode

38、l can be used to describe a wide variety of uniaxial structures like the ones described in 16, 17, 25, 27. These results will be reported in further papers.”3. 磁性多層膜中鐵磁共振和磁組態(tài)相圖基于包含自旋矩的Landau-Lifshitz-Gilbert方程，詳細(xì)研究了磁性多層膜中鐵磁共振和磁組態(tài)相圖，研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)期刊Phys. Rev. B和J. Appl. Phys.，SCI 影響因子分別為3.66和2.19，SCI他引

39、19次，被Phys. Rev.引用9次，該結(jié)果受到著名學(xué)者的關(guān)注和引用： a) 美國(guó)科學(xué)家D. Pinna在其發(fā)表的文章Phys. Rev. B 90, 174405 (2014)中評(píng)述為： “Recent research on spin-torque oscillators has focused on the excitation of stable in-plane (IP) and out-of-plane (OOP) precession about the easy and hard magnetic anisotropy axes of thin film nanomagnet

40、s with biaxial magnetic anisotropy. In this article we present a stochastic theory of these precessional dynamics valid over a wide range of parameters. We focus on the OPP dynamics and show the conditions under which precessional motion about the hard axis occurs. The oscillator behavior we find is

41、 reminiscent of that observed in experiments on a spin valve where spin-torque effects are due to the influence of both a perpendicularly magnetized polarizer and in-plane magnetized reference layer 2. The two contributions lead to a net spin torque which can be formally thought to arise from a tilt

42、ed spin polarizer 2326. The precessional dynamics are found to be stable at room temperature and, as a result, have great potential for the development of spin-torque nano-oscillators.”b) 挪威學(xué)者Jacob Linder和Mohammad Alidoust在其發(fā)表的文章Phys. Rev. B 88, 064420 (2013)中評(píng)述為：“The influence of spin-polarized cur

43、rent on Gilbert damping and ferromagnetic resonance have been extensively investigated in different situations.”c) 知名學(xué)者Ya. B. Bazaliy在發(fā)表的文章Phys. Rev. B 85, 014431 (2012)和學(xué)者P. Landeros在發(fā)表的文章Phys. Rev. B 81, 214434 (2010)中分別評(píng)述：“We now present the application of the effective planar equation approach t

44、o devices with a “tilted polarizer” geometry, which recently became a subject of a number of investigations.”“Peng-Bin He et al.17 consider an in-plane applied field also but extend the theoretical description of the trilayer structures by introducing tilted anisotropy in the polarizing layer. Thus,

45、 an arbitrary orientation of the magnetization of the polarizer is addressed in this paper.”d) 知名物理學(xué)家J. A. Katine在文章Phys. Rev. B 86, 014419 (2012)和香港大學(xué)Yan Zhou在文章J. Appl. Phys. 112, 063903 (2012)和分別評(píng)述：“Such theoretical state diagrams have been described in the literature by different methods. A care

46、ful analytical study of the fourth region shows that steady magnetization precessions around the perpendicular axis are expected.” “The out-of-plane component of the spin-polarized current can drive the free layer into steady precession under zero applied magnetic field, while the in-plane component

47、 of the fixed-layer magnetization generates a large MR without the need for an additional read-out layer. Since our first report on TP-STNOs, intense interest has been generated in studying such TP-STNO-based devices”4. 玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治孤子和怪波運(yùn)用達(dá)布變換等方法研究了玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治孤子和怪波，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孤子的控制，詳細(xì)解釋怪波的成因，并可以用到其他領(lǐng)域

48、，這些研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)期刊Opt. Commun.和Eur. Phys. J. D上，SCI 影響因子分別為1.54和1.4，SCI他引57次，被Phys. Rev.引用13次，該結(jié)果受到國(guó)內(nèi)外同行關(guān)注和引用，其中有著名物理學(xué)家V. N. Serkin關(guān)注和引用： a) 知名物理學(xué)家V. N. Serkin在其發(fā)表的文章Phys. Rev. A 81, 023610 (2010)中評(píng)述：” We conclude by saying that the concept of adaptation is of primary importance in nature, and nonaut

49、onomous solitons that interact elastically and generally move with varying amplitudes, speeds, and spectra adapted both to the external potentials and to the dispersion and nonlinearity changes can be fundamental objects of nonlinear science. The law of soliton adaptation to an external potential 20

50、 has come as a surprise and this law is now the object of much concentrated attention in the field 5267.”b) 印度學(xué)者C. N. Kumar在發(fā)表的文章Phys. Rev. A 89, 052915 (2014)和國(guó)內(nèi)學(xué)者Hua-Mei Li在發(fā)表的文章Phys. Rev. E 83, 066607 (2011)中評(píng)述：” Recently, laser beams have been used to implement linear potentials which are modula

51、ted periodically in time 58. Moreover, in theoretical studies on nonautonomous BECs, a linear potential with an arbitrary time dependence has been reported in 59.”“Recently, a nonautonomous system with distributed coefficients has attracted a lot of attention because of its interesting features and

52、potential applications 811. More generally, nonautonomous systems with time- and spacedependent distributed coefficients also have very interesting properties but have been the subject of relatively fewer studies.”c) 知名物理學(xué)家Anatoly Abrashkin and Alexander Soloviev發(fā)表的文章Phys. Rev. Lett. 110, 110, 01450

53、1 (2013)和印度知名物理學(xué)家M. Lakshmanan發(fā)表的文章Phys. Rev. E 90, 062905 (2014)中分別評(píng)述：“Rogue waves are characterized by the amplitude criterion: the height of a rogue wave is two or more times the significant waveheight. Being considered initially for ocean waves, 14, nowadays the concept is shifted to other field

54、s of physics such as nonlinear optics 57, physics of plasma 8, superfluid helium 9, and Bose condensate systems 10.”“However, only a few attempts have been made to identify and analyze the RWs and breather solutions of (1) 3540.”d) 我們的怪波結(jié)果還受到學(xué)者Jingsong He, Yi-Tian Gao、印度學(xué)者C. N. Kumar、Shally Loomba和R

55、. Radha等的關(guān)注和引用，這些引用發(fā)表在Phys. Rev E上，同時(shí)也受到國(guó)內(nèi)其他同行的廣泛關(guān)注和引用。(5) 與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類研究的綜合比較本課題致力于研究玻色和費(fèi)米鐵磁系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性，共發(fā)表SCI檢索論文18篇，主要研究結(jié)果均發(fā)表在國(guó)際知名物理期刊物理評(píng)論(Phys. Rev. A、Phys. Rev. B) 美國(guó)物理年報(bào)(Ann. Phys. (N. Y.)、光通訊(Opt. Commun.,)和應(yīng)用物理(J. Appl. Phys.)上。目前八篇代表作的SCI他引104次。本研究的理論創(chuàng)新程度和推動(dòng)學(xué)科發(fā)展的主要作用為：a) 與國(guó)內(nèi)外同期相關(guān)研究相比，我們較早的研究了玻色

56、鐵磁系統(tǒng)中磁化強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)特性，研究結(jié)果發(fā)表后受到著名物理學(xué)家B. A. Malomed的關(guān)注和多次引用，在其引文中明確指出我們的研究結(jié)果是Salerno模型的首次物理實(shí)現(xiàn)，物理評(píng)論上多篇關(guān)于Salerno模型研究的文章中均說(shuō)明該研究結(jié)果是Salerno模型物理實(shí)現(xiàn)的開創(chuàng)性工作，推動(dòng)了關(guān)于Salerno模型的系統(tǒng)研究，受到國(guó)內(nèi)外同類研究的廣泛引用。b) 自旋極化電流驅(qū)動(dòng)的鐵磁中磁化強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)是近幾年的熱點(diǎn)問題，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋調(diào)控的微電子學(xué)器件提供理論基礎(chǔ)，本研究中成功解釋了疇壁運(yùn)動(dòng)的螺距效應(yīng)和首度提出了磁矩分布的新狀態(tài)-磁怪波，揭示了自旋計(jì)劃電流的新作用，豐富了自旋電子學(xué)的理論。c) 鐵磁共振

57、是微電子學(xué)中探測(cè)材料和器件磁性重要實(shí)驗(yàn)手段，磁性多層膜(包括自旋閥、磁性隧道結(jié)等)在磁存儲(chǔ)和信息處理等方面具有很大的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目從多方面分析了自旋極化電流和外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁多層膜中的鐵磁共振，解析了各種自旋矩的作用，豐富了自旋電子學(xué)理論，給出了電流和釘扎層的磁化強(qiáng)度取向共同調(diào)控的自由層中磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，給出了平行、反平行、平面內(nèi)及平面外等組態(tài)的相圖，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋控制的微電子學(xué)器件提供了理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果受到國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和引用，受到著名學(xué)者的多次評(píng)述，保持了與國(guó)際同類研究的先進(jìn)水平。d) 2007年著名光孤子科學(xué)家V. N. Serkin等在國(guó)際物理學(xué)期刊”物理評(píng)論快報(bào)”Phy

58、s. Rev. Lett., 98, 074102 (2007)上明確提出非自治孤子的概念，在同期本項(xiàng)目研究了玻色-愛因斯坦凝聚體的非自治模型，得到了控制孤子的理論手段。并與國(guó)際上怪波研究同步，解釋了玻色-愛因斯坦凝聚體中怪波成因，為其他學(xué)科解釋特殊的怪波提供借鑒意義。（6）第三方評(píng)價(jià)1. SCI收錄和引用證明教育部科技查新工作站(天津大學(xué))出具關(guān)于本研究的SCI收錄和引用證明，其中8篇代表作被SCI他引99次，被Phys. Rev. 引用27次。2. 國(guó)內(nèi)外同行發(fā)表的學(xué)術(shù)文章中的評(píng)述和第三者評(píng)價(jià)：我們的研究結(jié)果在國(guó)內(nèi)外同行發(fā)表的學(xué)術(shù)文章中有很多評(píng)述和第三者評(píng)價(jià)，其中包括國(guó)際知名物理學(xué)家B. A. Malomed、V. N. Serkin、Anatoly Abrashkin and Alexander Solo