Nature Materials|寧波材料所發(fā)現(xiàn)軌道霍爾效應(yīng)新規(guī)律，為低功耗電子學(xué)開辟新途徑
近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)在軌道電子學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)揭示了軌道霍爾效應(yīng)中存在一種與傳統(tǒng)自旋霍爾效應(yīng)截然不同的非傳統(tǒng)標(biāo)度律，解決了長(zhǎng)期以來(lái)制約自旋電子器件功耗優(yōu)化的一個(gè)根本性矛盾。北京時(shí)間8月15日，相關(guān)研究成果以“Unconventional scaling of the orbital Hall effect（軌道霍爾效應(yīng)的非傳統(tǒng)標(biāo)度律）”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Materials上（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02326-3）。
自旋電子學(xué)的發(fā)展長(zhǎng)期面臨一個(gè)根本性矛盾。在傳統(tǒng)自旋霍爾材料中，提高器件性能的關(guān)鍵參數(shù)——自旋霍爾角與自旋霍爾電導(dǎo)率——往往相互制約。增強(qiáng)散射雖能提高霍爾角，卻通常導(dǎo)致霍爾電導(dǎo)率的降低。這種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系極大地限制了器件功耗的進(jìn)一步優(yōu)化，成為構(gòu)建更高能效器件的主要障礙。
針對(duì)上述難題，研究團(tuán)隊(duì)選取4d過(guò)渡金屬氧化物SrRuO3作為研究體系，系統(tǒng)研究了其軌道霍爾效應(yīng)的標(biāo)度規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，該體系中的軌道霍爾效應(yīng)表現(xiàn)出一種全新的非傳統(tǒng)標(biāo)度律：隨著材料中缺陷散射的增強(qiáng)（即電導(dǎo)率降低），其軌道霍爾電導(dǎo)率和軌道霍爾角能協(xié)同增大。這一發(fā)現(xiàn)為解決傳統(tǒng)自旋霍爾效應(yīng)中，自旋霍爾角與自旋霍爾電導(dǎo)率的固有制約提供了全新途徑，實(shí)現(xiàn)了“一石二鳥”的效果。?
為解釋這一反?，F(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)可能的物理機(jī)制。理論分析表明，該現(xiàn)象源于軌道角動(dòng)量在輸運(yùn)過(guò)程中獨(dú)特的Dyakonov-Perel-like軌道弛豫機(jī)制。在該機(jī)制下，通常被視為不利因素的雜質(zhì)散射，反而減緩了軌道流的衰減，延長(zhǎng)了其壽命，從而在強(qiáng)散射區(qū)產(chǎn)生了更強(qiáng)的軌道霍爾效應(yīng)。
該非傳統(tǒng)標(biāo)度律的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值在磁矩翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)材料缺陷的適度調(diào)控，器件的翻轉(zhuǎn)功耗可成功降低至原來(lái)的三分之一，證實(shí)了該方法在優(yōu)化器件能效方面的巨大潛力。?
綜上所述，我們首次實(shí)驗(yàn)揭示了軌道霍爾效應(yīng)中存在一種不同于傳統(tǒng)自旋霍爾效應(yīng)的非傳統(tǒng)標(biāo)度律。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)雜質(zhì)散射在軌道輸運(yùn)物理中關(guān)鍵作用的認(rèn)知，更展示了如何利用該標(biāo)度律，將雜質(zhì)散射從傳統(tǒng)觀念中的一種限制因素，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化器件性能的有效調(diào)控手段。這些結(jié)果為設(shè)計(jì)高效、低功耗的軌道電子學(xué)器件開辟了新的途徑，將有力推動(dòng)軌道電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
寧波材料所碩士研究生彭思陽(yáng)為論文第一作者、鄭軒博士為共同第一作者，寧波材料所汪志明研究員和寧波東方理工大學(xué)李潤(rùn)偉教授為共同通訊作者。該研究工作的第一完成單位為寧波材料所，合作單位包括上?？萍即髮W(xué)、北京航空航天大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院以及浙江省與寧波市相關(guān)項(xiàng)目的資助。
圖：軌道霍爾效應(yīng)的非傳統(tǒng)標(biāo)度律. (a) SRO/CoPt中自旋和軌道力矩的產(chǎn)生原理示意圖. (b) SRO/Py中自旋力矩的產(chǎn)生原理示意圖. （c）Pt中的自旋霍爾電導(dǎo)（上圖）和自旋霍爾角（下圖）與電導(dǎo)率間的標(biāo)度關(guān)系. (d) SRO中的軌道霍爾電導(dǎo)（上圖）和軌道霍爾角（下圖）與電導(dǎo)率間的標(biāo)度關(guān)系。(e) 上圖：SRO/CoPt中磁矩翻轉(zhuǎn)測(cè)試的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度隨SRO電導(dǎo)率的變化關(guān)系. 下圖：磁矩翻轉(zhuǎn)的實(shí)際功耗（左軸）和二次諧波測(cè)得的理論功耗（右軸）隨電導(dǎo)率的變化關(guān)系. （f）SRO/CoPt中的有效霍爾電導(dǎo)和有效霍爾角與其他自旋霍爾和軌道霍爾材料的對(duì)比圖，虛線對(duì)應(yīng)不同理論翻轉(zhuǎn)功耗。
（磁性材料及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室）
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