近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“宁波材料所”)柔性磁电功能材料与器件团队在新一代自旋电子器件的物理研究方面取得了关键突破。该团队找到一种反常的物理机制，能够将器件内部阻碍电子运动的“绊脚石”，转变成提升性能的“加油站”。驱动这一奇特转变的物理根源，是电子一种被长期忽视的“轨道”属性，及其所遵循的一种全新物理规律——非传统标度律。该发现为突破传统自旋电子学的内在性能瓶颈，构筑超低功耗的新一代自旋电子器件，提供了关键的物理原理与全新的设计范式。相关研究成果于北京时间8月15日在线发表于国际学术期刊《自然·材料》。
随着人工智能与大数据时代的飞速发展，传统电子技术正日益逼近其性能极限， “功耗墙”已成为制约技术发展的关键瓶颈。为此，科学家们将目光投向了自旋电子学这一前沿领域。与传统电子学仅利用电子的“电荷”属性不同，自旋电子学额外利用了电子固有的“自旋”属性。通俗地讲，电子不仅是一个带电小球，还是一个持续旋转的“微型磁铁”，其磁矩方向可以稳定地表示二进制信息。通过电学方法可快速调控这些“微型磁铁”的指向来存储信息且无需持续供电即可长期保持，这使得新一代自旋电子器件在理论上具备了高速、非易失等优势，并被视为突破“功耗墙”的潜力技术。
然而，自旋电子器件在迈向大规模应用的道路上，却遇到了一个巨大挑战——拨动“微型磁铁”所需电流和功耗过高(即写入电流和写入功耗)。要战胜这个挑战，关键在于提升其核心的“自旋流”产生效率。科学家们主要关注两个性能指标：一个是自旋霍尔角，它直接关联到写入电流的大小；二是自旋霍尔电导，它主要影响器件的整体功耗。理想情况下，两者需要同步增大，才能实现写入电流和功耗的同步降低。但在传统的自旋体系中，这两个关键指标却相互制约。目前，科学家降低写入电流的常用策略，是引入晶体缺陷或杂质来增大自旋霍尔角。然而，这一方法会“按下葫芦浮起瓢”，虽然增大了自旋霍尔角，却不可避免地降低了自旋霍尔电导，导致总体的写入功耗不降反升。这种此消彼长的根本制约，成为了阻碍自旋电子器件走向更低功耗的核心瓶颈。
面对传统自旋效应“鱼与熊掌不可兼得”的困境，研究团队将目光转向了电子的另一属性——轨道。如果说“自旋”是电子的“自转”，那么“轨道”则源于电子绕原子核的“公转”。长久以来，科学界普遍认为，电子的“公转”状态在材料中极不稳定，其产生的轨道角动量会在电子的移动过程中被迅速耗散掉，不具备实际应用价值。
正是轨道角动量在传播中的复杂特性，让它在遭遇晶体缺陷和杂质散射时，表现出与自旋截然不同的现象：对于自旋而言，电子经散射后自旋方向可能翻转，从而丢失掉自旋携带的信息——晶体缺陷越多，电子散射越频繁，电子携带的自旋角动量越容易被耗散掉。然而对于轨道角动量，该团队在过渡金属氧化物SrRuO3中，发现了一种颠覆传统认知的全新物理规律。研究表明，当电子在材料中运动时，过去被认为是纯粹“绊脚石”的晶体缺陷，在与电子的轨道角动量相互作用时，反而起到了“加油站”的作用。引入的缺陷越多，电子散射越频繁，最终探测到的轨道效应反而越强。这揭示了一种全新的“反常标度律”，从实验上证实了电子“轨道”在输运过程中，遵循着与“自旋”截然不同的独特物理规律。
这一“反常标度律”的发现，为破解自旋电子器件面临的核心瓶颈提供了全新的思路。由于晶体缺陷对于轨道流起到了“加油站”式的增强作用，这意味着研究人员终于可以不再受限于传统自旋霍尔角与自旋霍尔电导之间的此消彼长关系。通过主动引入缺陷，能够实现轨道霍尔角和轨道霍尔电导的同时增大，从而一举突破传统方法的限制，显著降低器件的写入电流和功耗。这一发现不仅为高效的轨道电子学器件提供了新的物理基础，也为整个电子学领域带来了全新的设计思路。
这一研究成果以“轨道霍尔效应的非传统标度律(Unconventional Scaling of the Orbital Hall Effect)”为题发表在国际学术期刊《自然·材料》上，中国科学院宁波材料所为第一完成单位和通讯单位，中国科学院宁波材料所硕士研究生彭思阳为第一作者、郑轩博士为共同第一作者，中国科学院宁波材料所汪志明研究员和宁波东方理工大学李润伟教授为论文通讯作者。
《自然材料》期刊的审稿人对该工作给予了高度评价，认为其在基础科学和器件应用两方面均具有重要价值。在基础科学层面，审稿人指出，这项工作揭示了轨道霍尔效应与自旋霍尔效应的本质区别：“这一结果表明，轨道流与无序(缺陷)的相互作用，可以与自旋流和无序的相互作用存在本质上的不同…这一发现非常重要，因为它打破了许多研究中‘轨道霍尔效应与自旋霍尔效应性质相似’的隐性假设。清晰地理解二者差异，对于将轨道电子学领域的研究热情推向新高度至关重要。”在器件应用层面，审稿人强调了该发现对解决功耗瓶颈的突破性意义：“(这项工作)在器件应用方面也很有价值。如果轨道霍尔效应随着(材料)电导的降低而增强，那么就有可能同时增大轨道霍尔角和轨道霍尔电导…而此前在自旋霍尔效应器件中降低功耗的类似尝试却失败了，因为(传统方法下)自旋霍尔角增大的同时，自旋霍尔电导却会下降。”
(通讯员 黄莎莎)
