科学通报 | 发现轨道霍尔效应的非传统标度律

随着信息技术对数据存储和处理性能要求的不断攀升, 探索超越传统电荷调控原理的新型电子器件已成为科学研究的前沿. 自旋电子学通过利用电子的角动量自由度(自旋与轨道), 为突破传统微电子器件的性能瓶颈提供了新思路. 其中, 自旋轨道力矩是实现电学操控磁矩的核心机制, 其本质是将电荷流转换为角动量流并与局域磁矩耦合 [1] . 角量流可以分为自旋流和轨道流: 前者依赖自旋霍尔效应产生, 是以往研究的重点. 而近年来发现的轨道霍尔效应则能够高效地产生轨道流 [2] , 并同样施加自旋轨道力矩. 由于轨道霍尔效应在理论上具有更高的效率和更广泛的材料适用性, 被认为是推动自旋电子学发展的一个关键前沿 [ 3 , 4 ] .

对于任何新兴物理效应, 建立其关键物理量间的标度律是揭示物理机制和内在动力学的基本途径. 自旋霍尔效应的研究已表明, 其标度规律能够区分本征与非本征物理机制 [5] . 然而, 轨道霍尔效应的标度规律迄今仍缺乏理论和实验研究. 因此, 系统性地建立轨道霍尔效应的标度律, 对于揭示其物理起源和独特的输运特性至关重要. 最近, 我们通过系统地研究轨道霍尔效应的标度规律, 发现其存在与自旋霍尔效应截然不同的非传统标度律, 解决了自旋电子器件功耗优化的一个根本性矛盾, 为超低功耗器件开辟了颠覆性新路径 [6] .

为了研究轨道霍尔效应的标度规律, 我们选取了4d过渡金属氧化物SrRuO3 (SRO)作为研究体系. 首先, SRO具有独特的电子结构, 是直接对比自旋与轨道霍尔效应的理想体系. 其费米能级附近的Ru-4d电子能带具有显著的轨道织构, 可以诱导产生强轨道霍尔效应; 同时, 较强的自旋轨道耦合也赋予了其显著的自旋霍尔效应. 其次, SRO具有高度可调的电导率. 我们不仅通过控制生长条件引入氧或Ru空位等缺陷, 还通过改变测量温度来调控声子散射, 从而实现了散射强度在宽范围的系统调控. 这种高度可调性, 结合自旋和轨道霍尔效应的共存, 使我们能够系统建立并直接比较轨道与自旋霍尔电导随电导率变化的标度关系, 进而精准揭示散射对轨道输运的独特影响.

为了在同一体系中有效解耦并区分轨道和自旋霍尔效应的贡献, 我们设计了具有不同磁性层(CoPt多层膜和坡莫合金(Py))的异质结构, 包括SRO/CoPt和SRO/Py异质结构. 其核心原理在于, 注入磁性层的轨道流需要通过磁性层自身的自旋轨道耦合才能转换为自旋极化, 进而产生力矩(即轨道力矩); 而注入的自旋流则可以直接产生力矩(即自旋力矩). 因此, 在具有强自旋轨道耦合的CoPt中两种力矩均能被有效探测( 图1(a) ); 而在具有弱自旋轨道耦合的坡莫合金结构中, 轨道流的转换过程被抑制, 使得测量信号主要源于自旋力矩( 图1(b) ). 值得注意的是, 我们的二次谐波测量结果表明, 两种异质结构中的力矩符号截然相反: SRO/Py中为正, SRO/CoPt中为负. 这明确证实了SRO中同时存在符号相反的自旋和轨道霍尔效应, 且在SRO/CoPt中占主导的是负的轨道力矩, 为后续的定量分析奠定了基础.

图1 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 [8] . (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(左轴)和理论翻转电流密度( ∝ 1 / θ eff " role="presentation">∝1/θeff )(右轴)随电导率的变化关系. 下图: 磁矩翻转的实际功耗(左轴)和理论翻转功耗( ∝ 1 / ( θ eff σ eff ) " role="presentation">∝1/(θeffσeff) )(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

基于上述实验设计, 我们系统研究了有效霍尔电导与电导率的标度关系. 结果显示, 在自旋力矩主导的SRO/Py中, 有效霍尔电导随电导率降低而减小, 符合传统自旋霍尔效应在脏金属区的标度行为 [5] . 然而, 在轨道力矩主导的SRO/CoPt中, 我们观察到了截然相反的现象: 有效霍尔电导随电导率的降低反而显著升高( 图1(c) ). 这一“非传统标度律”与现有自旋霍尔效应的物理框架完全不符 [5] . 我们认为, 这种反常的标度律源于轨道流独特的动力学过程. 一方面, SRO中的轨道霍尔效应可能由非本征散射机制主导; 另一方面, 轨道角动量在输运中独特的Dyakonov-Perel-like轨道弛豫机制 [7] , 使得杂质散射反而减缓了轨道流的衰减, 延长了轨道角动量的寿命, 增强了与轨道角动量寿命相关的非本征轨道霍尔效应, 从而在低电导率(强散射区)产生了更强的轨道霍尔效应.

更重要的是, 这一非传统的标度律为解决自旋电子器件的功耗瓶颈提供了全新的思路. 在传统自旋霍尔材料中, 提高转换效率(自旋霍尔角)与维持高效应强度(自旋霍尔电导)之间存在根本性矛盾: 增强散射虽能提高霍尔角, 却往往导致霍尔电导的降低 [8] ( 图1(c) ). 这种此消彼长的关系, 极大地限制了器件功耗的优化. 而我们发现的轨道霍尔效应标度律, 则打破了这一制约, 使得轨道霍尔角和轨道霍尔电导能够随电导率降低而协同增大( 图1(d) ). 这种协同增强效应为大幅降低磁矩翻转功耗创造了条件. 实验上, 通过缺陷调控使SRO电导率降低约20%, 器件的临界翻转电流和翻转功耗分别降低至原来的1/2和1/3( 图1(e) ). 并且, 得益于这一非传统标度关系, 当我们把SRO/CoPt中的理论翻转功耗与其他自旋霍尔材料和轨道霍尔材料对比时, 经过电导率优化的SRO展现出更低的功耗( 图1(f) ). 这一结果为设计超低功耗的轨道力矩器件提供了颠覆性的新策略.

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.

参考文献

[1] Manchon A, Železný 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

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