固体中自旋弛豫、退相与扩散的第一性原理预测

自旋弛豫、退相和扩散是基于自旋的信息技术的核心。准确模拟自旋寿命（$\tau_s$）的理论方法，决定了自旋极化和相位信息丧失的快慢，对理解这些自旋过程的潜在机制十分重要，并对寻找有前景的自旋电子材料候选者极具价值。最近，我们发展了第一性原理实时密度矩阵（FPDM）方法来模拟一般固态系统的自旋动力学。通过对光-物质相互作用和散射过程（包括电子-声子、电子-杂质和电子-电子散射，含自洽自旋轨道耦合）以及第一性原理 Land'e g 因子的完整第一性原理描述，我们的方法可预测不同条件下作为载流子密度和温度函数、在电场和磁场下的 $\tau_s$。应用该方法，我们成功复现了不同材料的实验结果，并确定了影响不同材料中自旋弛豫、退相和扩散的关键因素。具体而言，我们预测 germanene 具有长 $\tau_s$（50 K 时约 100 ns）、巨大的自旋寿命各向异性以及电场下的自旋-谷锁定效应，使其有利于自旋-谷电子学应用。基于我们的理论推导和第一性原理模拟，我们提出了一种有用的新电子学量，称为自旋翻转角 $\theta^{\uparrow\downarrow}$，用于理解通过谷间自旋翻转散射过程的自旋弛豫。我们的方法可进一步应用于其他新兴材料，并扩展到模拟激子自旋动力学和由光电流效应引起的稳态光电流。