近日，我校物理学院徐俊卿教授独立完成的电子自旋动力学研究取得原创性理论突破。相关成果以"基于多体第一性原理方法预测固体中扩散长度与寿命：耦合动力学的作用"（Predicting and understanding diffusion lengths and lifetimes in solids via a many-body ab initio method: The role of coupled dynamics）为题，作为唯一作者发表于物理学顶刊《Physical Review Letters》[135, 046705 (2025)]。

电子自旋等物理量的扩散长度和寿命是决定信息传输效率和器件性能的关键参数，对开发下一代低功耗电子器件具有重要意义。第一性原理模拟是理解相关物理机制和搜寻高性能材料的重要手段，但现有方法存在诸多局限：（1）缺少对电子-声子耦合的量子处理，制约了理论预测的准确性。（2）无法系统地推导自旋扩散长度和寿命的近似公式，不利于对物理机制的理解。（3）对复杂衰变过程的解析能力有限。

为了解决上述问题，在之前工作（例如，Nat. Commun. 15188 (2024)、Nat. Commun. 112780 (2020)）的基础上，研究人员基于线性化量子主方程方法，提出了一个模拟扩散长度和寿命的新第一性原理计算方法。该方法被应用于传统半导体和金属、二维材料和反铁磁材料，揭示了它们的自旋扩散和弛豫机制。

本工作取得的主要进展包括：（1）预测精度提升：实现了对电子散射过程（如电子-声子）的量子处理，显著提高了方法的预测能力和适用范围。（2）理论框架创新：建立了统一的理论框架，可系统推导不同层次的慢衰减过程扩散长度和寿命的近似公式，包括传统的Dyakonov-Perel和漂移-扩散关系式，以及考虑了多自由度耦合动力学的新关系式。新方法为理解扩散和弛豫机制提供了一个透明而准确的理论工具。（3）物理机制的深入理解：在石墨烯-氮化硼体系中，揭示了多自由度耦合对自旋动力学的关键影响。

图1：石墨烯-氮化硼自旋弛豫和扩散长度的磁场效应。（a）自旋寿命的磁场效应。（b）-（d）不同方向自旋扩散长度的磁场效应。（e）-（g）不同边界条件和磁场下的自旋空间演化。“Full”表示求解完整本征值方程得到的结果。“DD”表示传统漂移-扩散关系式。“ss-DD”表示考虑了不同自旋自由度之间耦合的漂移-扩散关系式。由图可见，由于考虑了耦合动力学，“ss-DD”近似式精确描述了石墨烯-氮化硼的自旋扩散。

合肥工业大学是论文的唯一署名单位。物理学院徐俊卿教授是论文的唯一作者。该研究受到国家自然科学基金、中央高校基本业务费、合肥工业大学人才引进条件建设经费等资助。

      论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yy2w-pkww

徐俊卿 文/图 高伟清 崔健 审核