記者8月15日從中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲悉，該所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)在新一代自旋電子器件研究領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破。研究人員利用“非傳統(tǒng)標(biāo)度律”，將器件內(nèi)部阻礙電子運(yùn)動(dòng)的“絆腳石”，轉(zhuǎn)變成提升性能的“加油站”，為破解自旋電子器件面臨的核心瓶頸提供了全新思路。相關(guān)研究論文在線發(fā)表于《自然·材料》。

　　隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)電子技術(shù)正日益逼近其性能極限。當(dāng)芯片上集成的元器件越來越多、越來越密時(shí)，其總功耗和發(fā)熱量會(huì)急劇上升，而當(dāng)元器件密度太高，散熱跟不上時(shí)，就無法再通過增加元器件來提升性能，仿佛撞上了一堵由功耗和熱量組成的無形之墻——“功耗墻”。如今，“功耗墻”已成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。新一代自旋電子器件在理論上具備高速、非易失等優(yōu)勢，與之相關(guān)的技術(shù)則被視為突破“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，卻遇到了寫入電流和寫入功耗過高的巨大挑戰(zhàn)。

　　“與傳統(tǒng)電子學(xué)僅利用電子的‘電荷’屬性不同，自旋電子學(xué)額外利用了電子固有的‘自旋’屬性。翻轉(zhuǎn)這些‘微型磁鐵’來存儲(chǔ)信息，就像擰螺絲，普通電流提供的推力不管用，必須產(chǎn)生‘扭矩流’�！闭撐耐ㄓ嵶髡�、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員汪志明說，在向器件寫入信息的過程中，自旋霍爾角和自旋霍爾電導(dǎo)需要同步增大，才能實(shí)現(xiàn)寫入電流和功耗的同步降低，但在傳統(tǒng)方法中，兩者的此消彼長阻礙了自旋電子器件走向更低功耗應(yīng)用。

　　為此，研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向了電子的另一屬性——“軌道”。研究人員發(fā)現(xiàn)，電子的“軌道”與“自旋”屬性在遇到材料缺陷時(shí)，表現(xiàn)截然不同。對(duì)“自轉(zhuǎn)”產(chǎn)生的自旋流而言，缺陷是純粹的障礙，會(huì)干擾電子的旋轉(zhuǎn)方向，造成信息損耗。對(duì)于“公轉(zhuǎn)”產(chǎn)生的軌道流，該團(tuán)隊(duì)在名為SrRuO₃的過渡金屬氧化物中，發(fā)現(xiàn)了一種顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的全新物理規(guī)律。

　　研究表明，當(dāng)電子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，過去被認(rèn)為是“絆腳石”的晶體缺陷，在與電子的軌道流相互作用時(shí)，反而起到了“加油站”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(qiáng)。而軌道效應(yīng)增強(qiáng)則意味著，此時(shí)器件性能越好、寫入信息時(shí)越節(jié)能。這揭示了一種全新的“非傳統(tǒng)標(biāo)度律”，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電子“軌道”在輸運(yùn)過程中，遵循著與“自旋”截然不同的獨(dú)特物理規(guī)律。

　　據(jù)介紹，這一“非傳統(tǒng)標(biāo)度律”的發(fā)現(xiàn)，不僅為研制高效的軌道電子學(xué)器件提供了新的物理基礎(chǔ)，也為自旋電子學(xué)領(lǐng)域帶來了全新的設(shè)計(jì)思路。