复旦大学物理学系向红军课题组简介

课题组项目负责人向红军，复旦大学物理学系谢希德特聘教授。2001年，2006年分别获得中国科学技术大学学士和博士学位，2006年—2007年美国北卡州立大学博士后，2007年—2009年美国国家再生能源实验室博士后。2018年获“国家杰出青年基金”，2018年获国际理论物理中心“ICTP”奖，2021年入选美国物理学会会士，2023年获黄昆物理奖。

课题组从事计算凝聚态物理研究，在多铁性物理模型建立和计算方法发展等方面取得了进展。代表成果有：提出了自旋序诱导铁电性的普适模型，突破了传统模型的局限，给出了一大类多铁的一般物理图像，已被领域专家广泛认可和采用。课题组建立了计算磁相互作用及磁电耦合强度的四态法，该方法已被至少18个国家的123个研究组采用。突破了最经典的固体物理教科书中“铁电材料一定具有极性点群对称性”的基本概念，提出了全新的分数量子铁电性。自主开发了通用的材料性质分析和模拟软件包（PASP），已被海内外多个研究组采购和采用。

项目领域

计算凝聚态物理，包括磁性、铁电性、多铁性、计算方法发展及程序开发、机器学习方法在计算凝聚态物理中的应用等。

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项目背景

凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系，即通过研究构成凝聚态物质的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律，从而认识其物理性质的学科。凝聚态物理学是当今物理学最重要的分支学科之一。一方面，它是固体物理学的向外延拓，使研究对象除固体物质以外，还包括许多液态物质；另一方面，它也引入了新的概念体系，既有利于处理传统固体物理遗留的许多疑难问题，也便于推广应用到一些比常规固体更加复杂的物质。

在相关领域，发展集成度更高、功耗更低、响应更快的下一代电子信息技术是解决我国高性能芯片研发“卡脖子”问题的重大需求。同时具有铁电、铁磁等两种或两种以上“铁性”的多铁性量子材料是构筑下一代信息器件极具潜力的候选者之一。从物理上来看，新型铁性材料存在相互耦合的自旋、轨道、电荷、晶格等多个自由度，是研究各种量子序竞争及其调控的理想体系，对其深入系统的研究将揭示多个自由度之间相互耦合的规律，丰富凝聚态物理的内涵。然而，传统的第一性原理计算方法一方面计算量太大，不适应实际铁性体系的模拟，另一方面，这种方法不能直接给出铁性的微观机理。

项目内容

向红军/龚新高课题组倾力研发了Property analysis and simulation package for materials软件（简称PASP）。PASP尤其擅长处理磁性，铁电性和多铁性体系，可用于计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质，也可用于分析理解材料性质的微观机制，并进一步设计和预言高性能材料，是研究这些材料的有效工具。

PASP软件目前集成了诸多功能，例如对称性分析、四态法、有效哈密顿量方法、蒙特卡洛模拟、分子动力学模拟/自旋-晶格动力学模拟、自旋序诱导铁电极化的计算、紧束缚模型、全局结构搜索方法、线性自旋波方法、机器学习等。该软件知识产权权属清晰，目前已经与鸿之微科技（上海）股份有限公司进行商业合作。

项目总结

本项目PASP软件为材料工程师和科学家提供了一种有效的工具，用于预测材料（特别是磁性、铁电性、多铁性等量子材料）的性能和行为。通过模拟和分析，用户可以了解材料的结构、力学特性、热性能等关键参数，从而指导材料设计和工程应用。希望与相关企业和单位合作，开展产业化探索。

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