我国科研团队揭示自旋电子器件节能新规律
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队在轨道电子学领域取得重要进展。研究团队首次实验揭示了轨道霍尔效应中存在一种与传统自旋霍尔效应截然不同的非传统标度律，解决了长期以来制约自旋电子器件功耗优化的一个根本性矛盾。北京时间8月15日，相关研究成果以“Unconventional scaling of the orbital Hall effect（轨道霍尔效应的非传统标度律）”为题发表在国际学术期刊Nature Materials上（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02326-3）。
自旋电子学的发展长期面临一个根本性矛盾。在传统自旋霍尔材料中，提高器件性能的关键参数——自旋霍尔角与自旋霍尔电导率——往往相互制约。增强散射虽能提高霍尔角，却通常导致霍尔电导率的降低。这种此消彼长的关系极大地限制了器件功耗的进一步优化，成为构建更高能效器件的主要障碍。
针对上述难题，研究团队选取4d过渡金属氧化物SrRuO3作为研究体系，系统研究了其轨道霍尔效应的标度规律。研究发现，该体系中的轨道霍尔效应表现出一种全新的非传统标度律：随着材料中缺陷散射的增强（即电导率降低），其轨道霍尔电导率和轨道霍尔角能协同增大。这一发现为解决传统自旋霍尔效应中，自旋霍尔角与自旋霍尔电导率的固有制约提供了全新途径，实现了“一石二鸟”的效果。
为解释这一反常现象，研究团队提出了一个可能的物理机制。理论分析表明，该现象源于轨道角动量在输运过程中独特的Dyakonov-Perel-like轨道弛豫机制。在该机制下，通常被视为不利因素的杂质散射，反而减缓了轨道流的衰减，延长了其寿命，从而在强散射区产生了更强的轨道霍尔效应。
该非传统标度律的实际应用价值在磁矩翻转实验中得到了验证。实验结果表明，通过对材料缺陷的适度调控，器件的翻转功耗可成功降低至原来的三分之一，证实了该方法在优化器件能效方面的巨大潜力。
综上所述，我们首次实验揭示了轨道霍尔效应中存在一种不同于传统自旋霍尔效应的非传统标度律。这一发现不仅深化了对杂质散射在轨道输运物理中关键作用的认知，更展示了如何利用该标度律，将杂质散射从传统观念中的一种限制因素，转变为优化器件性能的有效调控手段。这些结果为设计高效、低功耗的轨道电子学器件开辟了新的途径，将有力推动轨道电子学领域的发展。
宁波材料所硕士研究生彭思阳为论文第一作者、郑轩博士为共同第一作者，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共同通讯作者。该研究工作的第一完成单位为宁波材料所，合作单位包括上海科技大学、北京航空航天大学和中国科学院金属研究所等，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院以及浙江省与宁波市相关项目的资助。
图：轨道霍尔效应的非传统标度律. (a) SRO/CoPt中自旋和轨道力矩的产生原理示意图. (b) SRO/Py中自旋力矩的产生原理示意图. （c）Pt中的自旋霍尔电导（上图）和自旋霍尔角（下图）与电导率间的标度关系. (d) SRO中的轨道霍尔电导（上图）和轨道霍尔角（下图）与电导率间的标度关系。(e) 上图：SRO/CoPt中磁矩翻转测试的临界翻转电流密度随SRO电导率的变化关系. 下图：磁矩翻转的实际功耗（左轴）和二次谐波测得的理论功耗（右轴）随电导率的变化关系. （f）SRO/CoPt中的有效霍尔电导和有效霍尔角与其他自旋霍尔和轨道霍尔材料的对比图，虚线对应不同理论翻转功耗。
（磁性材料及应用实验室）
（原题：Nature Materials|宁波材料所发现轨道霍尔效应新规律，为低功耗电子学开辟新途径）
本文链接：http://knowith.com/news-1-12467.html我国科研团队揭示自旋电子器件节能新规律
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