【導語】近日，中國科學院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物理研究上獲關鍵突破，發現電子“軌道”屬性及非傳統標度律，可將阻礙電子運動的“絆腳石”變為提升性能的“加油站”，為突破傳統自旋電子學性能瓶頸、構築超低功耗器件提供新思路，相關成果發表於《自然·材料》。

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（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麵取得了關鍵突破。

該團隊找到一種反常的物理機製，能夠將器件內部阻礙電子運動的“絆腳石”，轉變成提升性能的“加油站”。驅動這一奇特轉變的物理根源，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律——非傳統標度律。

該發現為突破傳統自旋電子學的內在性能瓶頸，構築超低功耗的新一代自旋電子器件，提供了關鍵的物理原理與全新的設計範式。相關研究成果於北京時間8月15日在線發表於國際學術期刊《自然·材料》。

隨著人工智能與大數據時代的飛速發展，傳統電子技術正日益逼近其性能極限， “功耗牆”已成為製約技術發展的關鍵瓶頸。為此，科學家們將目光投向了自旋電子學這一前沿領域。與傳統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，還是一個持續旋轉的“微型磁鐵”，其磁矩方向可以穩定地表示二進製信息。通過電學方法可快速調控這些“微型磁鐵”的指向來存儲信息且無需持續供電即可長期保持，這使得新一代自旋電子器件在理論上具備了高速、非易失等優勢，並被視為突破“功耗牆”的潛力技術。

然而，自旋電子器件在邁向大規模應用的道路上，卻遇到了一個巨大挑戰——撥動“微型磁鐵”所需電(diàn)流(liú)和(hé)功(gōng)耗(hào)過(guò)高(gāo)（即寫入電流(liú)和(hé)寫(xiě)入功耗）。要戰勝這個挑戰，關鍵在於提升其核心的“自旋流”產生效率。

科學家們主要關注兩個性能指標：一個是自旋霍爾角，它直接關聯到寫入電流的大小；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，才能實現寫入電流和功耗的同步降低。但在傳統的自旋體係中，這兩個關鍵指標卻相互製約。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(dǎo)，導(dǎo)致(zhì)總(zǒng)體(tǐ)的(de)寫(xiě)入(rù)功(gōng)耗不降反升。這種此消彼長的根本製約，成為了阻礙自旋電子器件走向更低功耗的核心瓶頸。

麵對傳統自旋效應“魚與熊掌不可兼得”的困境，研究團隊將目光轉向了電子的另一屬性——軌道。如果說“自旋”是電子的“自轉”，那麽“軌道”則源於電子繞原子核的“公轉”。

長久以來，科學界普遍認為，電子的“公轉”狀態在材料中極不穩定，其產生的軌道角動量會在電子的移動過程中被迅速耗散掉，不具備實際應用價值。

正是軌道角動量在傳播中的複雜特性，讓它在遭遇晶體缺陷和雜質散射時，表現出與自旋截然不同的現象：對(duì)於(yú)自(zì)旋(xuán)而(ér)言(yán)，電(diàn)子(zi)經(jīng)散(sàn)射(shè)後(hòu)自(zì)旋(xuán)方(fāng)向(xiàng)可(kě)能(néng)翻(fān)轉(zhuǎn)，從(cóng)而(ér)丟(diū)失(shī)掉(diào)自(zì)旋(xuán)攜(xié)帶(dài)的(de)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(duì)於(yú)軌(guǐ)道(dào)角(jiǎo)動(dòng)量(liàng)，該(gāi)團(tuán)隊(duì)在(zài)過(guò)渡(dù)金(jīn)屬(shǔ)氧(yǎng)化(huà)物(wù)SrRuO3中(zhōng)，發(fā)現(xiàn)了(le)一(yī)種(zhǒng)顛(diān)覆(fù)傳(chuán)統(tǒng)認(rèn)知(zhī)的(de)全新(xīn)物(wù)理(lǐ)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反而越強。

這揭示了一種(zhǒng)全新(xīn)的(de)“反(fǎn)常(cháng)標(biāo)度(dù)律(lǜ)”，從(cóng)實(shí)驗(yàn)上(shàng)證(zhèng)實(shí)了(le)電(diàn)子(zi)“軌(guǐ)道(dào)”在(zài)輸(shū)運(yùn)過(guò)程(chéng)中(zhōng)，遵(zūn)循(xún)著(zhe)與(yǔ)“自(zì)旋(xuán)”截(jié)然(rán)不同的獨特物理規律。

這一“反常標度律”的(de)發(fā)現(xiàn)，為(wèi)破(pò)解(jiě)自(zì)旋(xuán)電(diàn)子(zi)器(qì)件(jiàn)麵(miàn)臨(lín)的(de)核(hé)心(xīn)瓶(píng)頸(jǐng)提(tí)供(gōng)了(le)全新(xīn)的(de)思(sī)路。由(yóu)於(yú)晶(jīng)體(tǐ)缺(quē)陷(xiàn)對(duì)於(yú)軌(guǐ)道(dào)流(liú)起(qǐ)到(dào)了(le) “加(jiā)油(yóu)站(zhàn)”式(shì)的(de)增(zēng)強(qiáng)作(zuò)用(yòng)，這(zhè)意(yì)味(wèi)著(zhe)研(yán)究(jiū)人(rén)員(yuán)終於可以不再受限於傳統自旋霍爾角與自旋霍爾電導之間的此消彼長關係。通過主動引入缺陷，能夠實現軌道霍爾角和軌道霍爾電導的同時增大，從而一舉突破傳統方法的限製，顯著降低器件的寫入電流和功耗。

這一發現不僅為高效的軌道電子學器件提供了新的物理基礎，也為整個電子學領域帶來了全新的設計思路。

圖(tú)：利(lì)用(yòng)“散(sàn)射(shè)增(zēng)強(qiáng)軌(guǐ)道(dào)流(liú)”這(zhè)一(yī)反(fǎn)常(cháng)物(wù)理(lǐ)效(xiào)應(yīng)（左(zuǒ)圖(tú)），實(shí)現(xiàn)自(zì)旋(xuán)電(diàn)子(zi)器(qì)件(jiàn)功(gōng)耗(hào)的(de)大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)（右(yòu)圖(tú)）。

這(zhè)一(yī)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)以(yǐ)“軌(guǐ)道(dào)霍(huò)爾效應的非傳統標度律（Unconventional Scaling of the Orbital Hall Effect）”為題發表在國際學術期刊《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誌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。