科學通報 | 發現軌道霍爾效應的非傳統標度律

隨著信息技術對數據存儲和處理性能要求的不斷攀升, 探索超越傳統電荷調控原理的新型電子器件已成為科學研究的前沿. 自旋電子學通過利用電子的角動量自由度(自旋與軌道), 為突破傳統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電學操控磁矩的核心機制, 其本質是將電荷流轉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產生, 是以往研究的重點. 而近年來發現的軌道霍爾效應則能夠高效地產生軌道流 [2] , 并同樣施加自旋軌道力矩. 由于軌道霍爾效應在理論上具有更高的效率和更廣泛的材料適用性, 被認為是推動自旋電子學發展的一個關鍵前沿 [ 3 , 4 ] .

對于任何新興物理效應, 建立其關鍵物理量間的標度律是揭示物理機制和內在動力學的基本途徑. 自旋霍爾效應的研究已表明, 其標度規律能夠區分本征與非本征物理機制 [5] . 然而, 軌道霍爾效應的標度規律迄今仍缺乏理論和實驗研究. 因此, 系統性地建立軌道霍爾效應的標度律, 對于揭示其物理起源和獨特的輸運特性至關重要. 最近, 我們通過系統地研究軌道霍爾效應的標度規律, 發現其存在與自旋霍爾效應截然不同的非傳統標度律, 解決了自旋電子器件功耗優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的標度規律, 我們選取了4d過渡金屬氧化物SrRuO3 (SRO)作為研究體系. 首先, SRO具有獨特的電子結構, 是直接對比自旋與軌道霍爾效應的理想體系. 其費米能級附近的Ru-4d電子能帶具有顯著的軌道織構, 可以誘導產生強軌道霍爾效應; 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. 其次, SRO具有高度可調的電導率. 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控聲子散射, 從而實現了散射強度在寬范圍的系統調控. 這種高度可調性, 結合自旋和軌道霍爾效應的共存, 使我們能夠系統建立并直接比較軌道與自旋霍爾電導隨電導率變化的標度關系, 進而精準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分軌道和自旋霍爾效應的貢獻, 我們設計了具有不同磁性層(CoPt多層膜和坡莫合金(Py))的異質結構, 包括SRO/CoPt和SRO/Py異質結構. 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換為自旋極化, 進而產生力矩(即軌道力矩); 而注入的自旋流則可以直接產生力矩(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構中, 軌道流的轉換過程被抑制, 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果表明, 兩種異質結構中的力矩符號截然相反: SRO/Py中為正, SRO/CoPt中為負. 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, 且在SRO/CoPt中占主導的是負的軌道力矩, 為后續的定量分析奠定了基礎.

圖1 軌道霍爾效應的非傳統標度律. (a) SRO/CoPt中自旋和軌道力矩的產生原理示意圖. (b) SRO/Py中自旋力矩的產生原理示意圖. (c) Pt中的自旋霍爾電導(上圖)和自旋霍爾角(下圖)與電導率間的標度關系 [8] . (d) SRO中的軌道霍爾電導(上圖)和軌道霍爾角(下圖)與電導率間的標度關系. (e) 上圖: SRO/CoPt中磁矩翻轉測試的臨界翻轉電流密度(左軸)和理論翻轉電流密度( ∝ 1 / θ eff " role="presentation">∝1/θeff )(右軸)隨電導率的變化關系. 下圖: 磁矩翻轉的實際功耗(左軸)和理論翻轉功耗( ∝ 1 / ( θ eff σ eff ) " role="presentation">∝1/(θeffσeff) )(右軸)隨電導率的變化關系. (f) SRO/CoPt中的有效霍爾電導和有效霍爾角與其他自旋霍爾和軌道霍爾材料的對比圖, 虛線對應不同理論翻轉功耗

基于上述實驗設計, 我們系統研究了有效霍爾電導與電導率的標度關系. 結果顯示, 在自旋力矩主導的SRO/Py中, 有效霍爾電導隨電導率降低而減小, 符合傳統自旋霍爾效應在臟金屬區的標度行為 [5] . 然而, 在軌道力矩主導的SRO/CoPt中, 我們觀察到了截然相反的現象: 有效霍爾電導隨電導率的降低反而顯著升高( 圖1(c) ). 這一“非傳統標度律”與現有自旋霍爾效應的物理框架完全不符 [5] . 我們認為, 這種反常的標度律源于軌道流獨特的動力學過程. 一方面, SRO中的軌道霍爾效應可能由非本征散射機制主導; 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的非本征軌道霍爾效應, 從而在低電導率(強散射區)產生了更強的軌道霍爾效應.

更重要的是, 這一非傳統的標度律為解決自旋電子器件的功耗瓶頸提供了全新的思路. 在傳統自旋霍爾材料中, 提高轉換效率(自旋霍爾角)與維持高效應強度(自旋霍爾電導)之間存在根本性矛盾: 增強散射雖能提高霍爾角, 卻往往導致霍爾電導的降低 [8] ( 圖1(c) ). 這種此消彼長的關系, 極大地限制了器件功耗的優化. 而我們發現的軌道霍爾效應標度律, 則打破了這一制約, 使得軌道霍爾角和軌道霍爾電導能夠隨電導率降低而協同增大( 圖1(d) ). 這種協同增強效應為大幅降低磁矩翻轉功耗創造了條件. 實驗上, 通過缺陷調控使SRO電導率降低約20%, 器件的臨界翻轉電流和翻轉功耗分別降低至原來的1/2和1/3( 圖1(e) ). 并且, 得益于這一非傳統標度關系, 當我們把SRO/CoPt中的理論翻轉功耗與其他自旋霍爾材料和軌道霍爾材料對比時, 經過電導率優化的SRO展現出更低的功耗( 圖1(f) ). 這一結果為設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中存在一種不同于傳統自旋霍爾效應的非傳統標度律. 這一發現不僅深化了對雜質散射在軌道輸運物理中關鍵作用的認知, 更展示了如何利用該標度律, 將雜質散射從傳統觀念中的一種限制因素, 轉變為優化器件性能的有效調控手段. 這些結果為設計高效、低功耗的軌道電子學器件開辟了新的途徑, 將有力推動軌道電子學領域的發展.

參考文獻

[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

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 了解科學前沿