隨著信息技術(shù)對數(shù)據(jù)存儲和處理性能要求的不斷攀升, 探索超越傳統(tǒng)電荷調(diào)控原理的新型電子器件已成為科學(xué)研究的前沿. 自旋電子學(xué)通過利用電子的角動量自由度(自旋與軌道), 為突破傳統(tǒng)微電子器件的性能瓶頸提供了新思路. 其中, 自旋軌道力矩是實現(xiàn)電學(xué)操控磁矩的核心機制, 其本質(zhì)是將電荷流轉(zhuǎn)換為角動量流并與局域磁矩耦合 [1] . 角量流可以分為自旋流和軌道流: 前者依賴自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生, 是以往研究的重點. 而近年來發(fā)現(xiàn)的軌道霍爾效應(yīng)則能夠高效地產(chǎn)生軌道流 [2] , 并同樣施加自旋軌道力矩. 由于軌道霍爾效應(yīng)在理論上具有更高的效率和更廣泛的材料適用性, 被認(rèn)為是推動自旋電子學(xué)發(fā)展的一個關(guān)鍵前沿 [ 3 , 4 ] .

對于任何新興物理效應(yīng), 建立其關(guān)鍵物理量間的標(biāo)度律是揭示物理機制和內(nèi)在動力學(xué)的基本途徑. 自旋霍爾效應(yīng)的研究已表明, 其標(biāo)度規(guī)律能夠區(qū)分本征與非本征物理機制 [5] . 然而, 軌道霍爾效應(yīng)的標(biāo)度規(guī)律迄今仍缺乏理論和實驗研究. 因此, 系統(tǒng)性地建立軌道霍爾效應(yīng)的標(biāo)度律, 對于揭示其物理起源和獨特的輸運特性至關(guān)重要. 最近, 我們通過系統(tǒng)地研究軌道霍爾效應(yīng)的標(biāo)度規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)其存在與自旋霍爾效應(yīng)截然不同的非傳統(tǒng)標(biāo)度律, 解決了自旋電子器件功耗優(yōu)化的一個根本性矛盾, 為超低功耗器件開辟了顛覆性新路徑 [6] .

為了研究軌道霍爾效應(yīng)的標(biāo)度規(guī)律, 我們選取了4d過渡金屬氧化物SrRuO3 (SRO)作為研究體系. 首先, SRO具有獨特的電子結(jié)構(gòu), 是直接對比自旋與軌道霍爾效應(yīng)的理想體系. 其費米能級附近的Ru-4d電子能帶具有顯著的軌道織構(gòu), 可以誘導(dǎo)產(chǎn)生強軌道霍爾效應(yīng); 同時, 較強的自旋軌道耦合也賦予了其顯著的自旋霍爾效應(yīng). 其次, SRO具有高度可調(diào)的電導(dǎo)率. 我們不僅通過控制生長條件引入氧或Ru空位等缺陷, 還通過改變測量溫度來調(diào)控聲子散射, 從而實現(xiàn)了散射強度在寬范圍的系統(tǒng)調(diào)控. 這種高度可調(diào)性, 結(jié)合自旋和軌道霍爾效應(yīng)的共存, 使我們能夠系統(tǒng)建立并直接比較軌道與自旋霍爾電導(dǎo)隨電導(dǎo)率變化的標(biāo)度關(guān)系, 進(jìn)而精準(zhǔn)揭示散射對軌道輸運的獨特影響.

為了在同一體系中有效解耦并區(qū)分軌道和自旋霍爾效應(yīng)的貢獻(xiàn), 我們設(shè)計了具有不同磁性層(CoPt多層膜和坡莫合金(Py))的異質(zhì)結(jié)構(gòu), 包括SRO/CoPt和SRO/Py異質(zhì)結(jié)構(gòu). 其核心原理在于, 注入磁性層的軌道流需要通過磁性層自身的自旋軌道耦合才能轉(zhuǎn)換為自旋極化, 進(jìn)而產(chǎn)生力矩(即軌道力矩); 而注入的自旋流則可以直接產(chǎn)生力矩(即自旋力矩). 因此, 在具有強自旋軌道耦合的CoPt中兩種力矩均能被有效探測( 圖1(a) ); 而在具有弱自旋軌道耦合的坡莫合金結(jié)構(gòu)中, 軌道流的轉(zhuǎn)換過程被抑制, 使得測量信號主要源于自旋力矩( 圖1(b) ). 值得注意的是, 我們的二次諧波測量結(jié)果表明, 兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的力矩符號截然相反: SRO/Py中為正, SRO/CoPt中為負(fù). 這明確證實了SRO中同時存在符號相反的自旋和軌道霍爾效應(yīng), 且在SRO/CoPt中占主導(dǎo)的是負(fù)的軌道力矩, 為后續(xù)的定量分析奠定了基礎(chǔ).

圖1 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 [8] . (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)測試的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度(左軸)和理論翻轉(zhuǎn)電流密度( ∝ 1 / θ eff " role="presentation">∝1/θeff )(右軸)隨電導(dǎo)率的變化關(guān)系. 下圖: 磁矩翻轉(zhuǎn)的實際功耗(左軸)和理論翻轉(zhuǎn)功耗( ∝ 1 / ( θ eff σ eff ) " role="presentation">∝1/(θeffσeff) )(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比圖, 虛線對應(yīng)不同理論翻轉(zhuǎn)功耗

基于上述實驗設(shè)計, 我們系統(tǒng)研究了有效霍爾電導(dǎo)與電導(dǎo)率的標(biāo)度關(guān)系. 結(jié)果顯示, 在自旋力矩主導(dǎo)的SRO/Py中, 有效霍爾電導(dǎo)隨電導(dǎo)率降低而減小, 符合傳統(tǒng)自旋霍爾效應(yīng)在臟金屬區(qū)的標(biāo)度行為 [5] . 然而, 在軌道力矩主導(dǎo)的SRO/CoPt中, 我們觀察到了截然相反的現(xiàn)象: 有效霍爾電導(dǎo)隨電導(dǎo)率的降低反而顯著升高( 圖1(c) ). 這一“非傳統(tǒng)標(biāo)度律”與現(xiàn)有自旋霍爾效應(yīng)的物理框架完全不符 [5] . 我們認(rèn)為, 這種反常的標(biāo)度律源于軌道流獨特的動力學(xué)過程. 一方面, SRO中的軌道霍爾效應(yīng)可能由非本征散射機制主導(dǎo); 另一方面, 軌道角動量在輸運中獨特的Dyakonov-Perel-like軌道弛豫機制 [7] , 使得雜質(zhì)散射反而減緩了軌道流的衰減, 延長了軌道角動量的壽命, 增強了與軌道角動量壽命相關(guān)的非本征軌道霍爾效應(yīng), 從而在低電導(dǎo)率(強散射區(qū))產(chǎn)生了更強的軌道霍爾效應(yīng).

更重要的是, 這一非傳統(tǒng)的標(biāo)度律為解決自旋電子器件的功耗瓶頸提供了全新的思路. 在傳統(tǒng)自旋霍爾材料中, 提高轉(zhuǎn)換效率(自旋霍爾角)與維持高效應(yīng)強度(自旋霍爾電導(dǎo))之間存在根本性矛盾: 增強散射雖能提高霍爾角, 卻往往導(dǎo)致霍爾電導(dǎo)的降低 [8] ( 圖1(c) ). 這種此消彼長的關(guān)系, 極大地限制了器件功耗的優(yōu)化. 而我們發(fā)現(xiàn)的軌道霍爾效應(yīng)標(biāo)度律, 則打破了這一制約, 使得軌道霍爾角和軌道霍爾電導(dǎo)能夠隨電導(dǎo)率降低而協(xié)同增大( 圖1(d) ). 這種協(xié)同增強效應(yīng)為大幅降低磁矩翻轉(zhuǎn)功耗創(chuàng)造了條件. 實驗上, 通過缺陷調(diào)控使SRO電導(dǎo)率降低約20%, 器件的臨界翻轉(zhuǎn)電流和翻轉(zhuǎn)功耗分別降低至原來的1/2和1/3( 圖1(e) ). 并且, 得益于這一非傳統(tǒng)標(biāo)度關(guān)系, 當(dāng)我們把SRO/CoPt中的理論翻轉(zhuǎn)功耗與其他自旋霍爾材料和軌道霍爾材料對比時, 經(jīng)過電導(dǎo)率優(yōu)化的SRO展現(xiàn)出更低的功耗( 圖1(f) ). 這一結(jié)果為設(shè)計超低功耗的軌道力矩器件提供了顛覆性的新策略.

綜上所述, 我們首次實驗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)不僅深化了對雜質(zhì)散射在軌道輸運物理中關(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, 將有力推動軌道電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展.

參考文獻(xiàn)

[1] Manchon A, ?elezny J, Miron I M, et al. Current-induced spin-orbit torques in ferromagnetic and antiferromagnetic systems . Rev Mod Phys , 2019 , 91: 035004

[2] Choi Y G, Jo D, Ko K H, et al. Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti . Nature , 2023 , 619: 52 -56

[3] Wang P, Chen F, Yang Y, et al. Orbitronics: mechanisms, materials and devices . Adv Elect Mater , 2024 , 11: 2400554

[4] Lee K J, Cros V, Lee H W. Electric-field-induced orbital angular momentum in metals . Nat Mater , 2024 , 23: 1302 -1304

[5] Sinova J, Valenzuela S O, Wunderlich J, et al. Spin Hall effects . Rev Mod Phys , 2015 , 87: 1213 -1260

[6] Peng S, Zheng X, Li S, et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect . Nat Mater , 2025

[7] Sohn J, Lee J M, Lee H W. Dyakonov-Perel-like orbital and spin relaxations in centrosymmetric systems . Phys Rev Lett , 2024 , 132: 246301

[8] Zhu L, Ralph D C, Buhrman R A. Maximizing spin-orbit torque generated by the spin Hall effect of Pt . Appl Phys Rev , 2021 , 8: 031308

轉(zhuǎn)載、投稿請留言

| 關(guān)注科學(xué)通報 | 了解科學(xué)前沿