近日，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所(以下簡稱“寧波材料所”)柔性磁電功能材料與器件團隊在新一代自旋電子器件的物理研究方面取得了關(guān)鍵突破。該團隊找到一種反常的物理機制，能夠?qū)⑵骷��?nèi)部阻礙電子運動的“絆腳石”，轉(zhuǎn)變成提升性能的“加油站”。驅(qū)動這一奇特轉(zhuǎn)變的物理根源，是電子一種被長期忽視的“軌道”屬性，及其所遵循的一種全新物理規(guī)律——非傳統(tǒng)標度律。該發(fā)現(xiàn)為突破傳統(tǒng)自旋電子學的內(nèi)在性能瓶頸，構(gòu)筑超低功耗的新一代自旋電子器件，提供了關(guān)鍵的物理原理與全新的設(shè)計范式。相關(guān)研究成果于北京時間8月15日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·材料》。

　　隨著人工智能與大數(shù)據(jù)時代的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)電子技術(shù)正日益逼近其性能極限， “功耗墻”已成為制約技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。為此，科學家們將目光投向了自旋電子學這一前沿領(lǐng)域。與傳統(tǒng)電子學僅利用電子的“電荷”屬性不同，自旋電子學額外利用了電子固有的“自旋”屬性。通俗地講，電子不僅是一個帶電小球，還是一個持續(xù)旋轉(zhuǎn)的“微型磁鐵”，其磁矩方向可以穩(wěn)定地表示二進制信息。通過電學方法可快速調(diào)控這些“微型磁鐵”的指向來存儲信息且無需持續(xù)供電即可長期保持，這使得新一代自旋電子器件在理論上具備了高速、非易失等優(yōu)勢，并被視為突破“功耗墻”的潛力技術(shù)。

　　然而，自旋電子器件在邁向大規(guī)模應(yīng)用的道路上，卻遇到了一個巨大挑戰(zhàn)——撥動“微型磁鐵”所需電流和功耗過高(即寫入電流和寫入功耗)。要戰(zhàn)勝這個挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于提升其核心的“自旋流”產(chǎn)生效率�？茖W家們主要關(guān)注兩個性能指標：一個是自旋霍爾角，它直接關(guān)聯(lián)到寫入電流的大��；二是自旋霍爾電導，它主要影響器件的整體功耗。理想情況下，兩者需要同步增大，才能實現(xiàn)寫入電流和功耗的同步降低。但在傳統(tǒng)的自旋體系中，這兩個關(guān)鍵指標卻相互制約。目前，科學家降低寫入電流的常用策略，是引入晶體缺陷或雜質(zhì)來增大自旋霍爾角。然而，這一方法會“按下葫蘆浮起瓢”，雖然增大了自旋霍爾角，卻不可避免地降低了自旋霍爾電導，導致總體的寫入功耗不降反升。這種此消彼長的根本制約，成為了阻礙自旋電子器件走向更低功耗的核心瓶頸。

　　面對傳統(tǒng)自旋效應(yīng)“魚與熊掌不可兼得”的困境，研究團隊將目光轉(zhuǎn)向了電子的另一屬性——軌道。如果說“自旋”是電子的“自轉(zhuǎn)”，那么“軌道”則源于電子繞原子核的“公轉(zhuǎn)”。長久以來，科學界普遍認為，電子的“公轉(zhuǎn)”狀態(tài)在材料中極不穩(wěn)定，其產(chǎn)生的軌道角動量會在電子的移動過程中被迅速耗散掉，不具備實際應(yīng)用價值。

　　正是軌道角動量在傳播中的復雜特性，讓它在遭遇晶體缺陷和雜質(zhì)散射時，表現(xiàn)出與自旋截然不同的現(xiàn)象：對于自旋而言，電子經(jīng)散射后自旋方向可能翻轉(zhuǎn)，從而丟失掉自旋攜帶的信息——晶體缺陷越多，電子散射越頻繁，電子攜帶的自旋角動量越容易被耗散掉。然而對于軌道角動量，該團隊在過渡金屬氧化物SrRuO3中，發(fā)現(xiàn)了一種顛覆傳統(tǒng)認知的全新物理規(guī)律。研究表明，當電子在材料中運動時，過去被認為是純粹“絆腳石”的晶體缺陷，在與電子的軌道角動量相互作用時，反而起到了“加油站”的作用。引入的缺陷越多，電子散射越頻繁，最終探測到的軌道效應(yīng)反而越強。這揭示了一種全新的“反常標度律”，從實驗上證實了電子“軌道”在輸運過程中，遵循著與“自旋”截然不同的獨特物理規(guī)律。

　　這一“反常標度律”的發(fā)現(xiàn)，為破解自旋電子器件面臨的核心瓶頸提供了全新的思路。由于晶體缺陷對于軌道流起到了“加油站”式的增強作用，這意味著研究人員終于可以不再受限于傳統(tǒng)自旋霍爾角與自旋霍爾電導之間的此消彼長關(guān)系。通過主動引入缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道霍爾角和軌道霍爾電導的同時增大，從而一舉突破傳統(tǒng)方法的限制，顯著降低器件的寫入電流和功耗。這一發(fā)現(xiàn)不僅為高效的軌道電子學器件提供了新的物理基礎(chǔ)，也為整個電子學領(lǐng)域帶來了全新的設(shè)計思路。

　　這一研究成果以“軌道霍爾效應(yīng)的非傳統(tǒng)標度律(Unconventional Scaling of the Orbital Hall Effect)”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然·材料》上，中國科學院寧波材料所為第一完成單位和通訊單位，中國科學院寧波材料所碩士研究生彭思陽為第一作者、鄭軒博士為共同第一作者，中國科學院寧波材料所汪志明研究員和寧波東方理工大學李潤偉教授為論文通訊作者。

　　《自然材料》期刊的審稿人對該工作給予了高度評價，認為其在基礎(chǔ)科學和器件應(yīng)用兩方面均具有重要價值。在基礎(chǔ)科學層面，審稿人指出，這項工作揭示了軌道霍爾效應(yīng)與自旋霍爾效應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別：“這一結(jié)果表明，軌道流與無序(缺陷)的相互作用，可以與自旋流和無序的相互作用存在本質(zhì)上的不同…這一發(fā)現(xiàn)非常重要，因為它打破了許多研究中‘軌道霍爾效應(yīng)與自旋霍爾效應(yīng)性質(zhì)相似’的隱性假設(shè)。清晰地理解二者差異，對于將軌道電子學領(lǐng)域的研究熱情推向新高度至關(guān)重要。”在器件應(yīng)用層面，審稿人強調(diào)了該發(fā)現(xiàn)對解決功耗瓶頸的突破性意義：“(這項工作)在器件應(yīng)用方面也很有價值。如果軌道霍爾效應(yīng)隨著(材料)電導的降低而增強，那么就有可能同時增大軌道霍爾角和軌道霍爾電導…而此前在自旋霍爾效應(yīng)器件中降低功耗的類似嘗試卻失敗了，因為(傳統(tǒng)方法下)自旋霍爾角增大的同時，自旋霍爾電導卻會下降�！�

　　(通訊員 黃莎莎)