自旋电子器件，节能新机制

中国学者揭示了一项可显著降低自旋电子器件能耗的物理机制。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发现，利用电子“轨道”属性遵循的非传统标度律，能化电子运动阻力为性能增益。相关研究成果发表于国际学术期刊《自然-材料学》，该研究成果为突破传统自旋电子学的性能瓶颈、设计超低功耗器件提供了全新的物理原理和设计思路。

自旋电子器件，是一种利用电子自旋与电荷共同处理信息的半导体器件，被视为下一代电子技术的核心发展方向，是全球科学家们争相探索的“无人区”，争夺的制高点。

近日，中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队在新一代自旋电子器件的物理研究方面取得了关键突破，该团队找到一种反常的物理机制，能够将器件内部阻碍电子运动的“绊脚石”，转变成提升性能的“加油站”。驱动这一奇特转变的物理根源，是电子一种被长期忽视的“轨道”属性，及其所遵循的一种全新物理规律——非传统标度律。

随着人工智能与大数据时代的飞速发展，传统电子技术正日益逼近其性能极限，“功耗墙”已成为制约技术发展的关键瓶颈。为此，科学家们将目光投向了自旋电子学这一前沿领域。与传统电子学仅利用电子的“电荷”属性不同，自旋电子学额外利用了电子固有的“自旋”属性。

论文共同通讯作者、中国科学院宁波材料所研究员汪志明表示：“通俗地讲，电子不仅是一个带电小球，还是一个持续旋转的‘微型磁铁’，磁N极指向上方或者下方，也就是磁矩方向，它可以稳定地表示二进制信息。通过电学方法可快速调控这些‘微型磁铁’的指向，可以存储信息且无需持续供电即可长期保持。”

这使得新一代自旋电子器件在理论上具备了高速、非易失等优势，为下一代技术带来了希望，包括速度更快、更节能的电子设备、量子计算和先进的存储设备。

然而，影响自旋电子器件“自旋流”产生效率的两个关键指标，即自旋霍尔角和自旋霍尔电导相互制约，传统方法难以同时优化，导致器件总体写入功耗过高。宁波材料所团队取得关键突破，将目光转向了电子的另一属性——轨道。如果说“自旋”是电子的“自转”，那么“轨道”则源于电子绕原子核的“公转”。

长久以来，科学界普遍认为，电子的“公转”状态在材料中极不稳定，其产生的轨道角动量会在电子的移动过程中被迅速耗散掉，不具备实际应用价值。

但是宁波材料所研究表明，当电子在材料中运动时，过去被认为是纯粹“绊脚石”的晶体缺陷，在与电子的轨道角动量相互作用时，反而起到了“加油站”的作用。引入的缺陷越多，电子散射越频繁，最终探测到的轨道效应反而越强。这揭示了一种全新的“反常标度律”，从实验上证实了电子“轨道”在输运过程中，遵循着与“自旋”截然不同的独特物理规律。

汪志明表示，这一“反常标度律”的发现，为破解自旋电子器件面临的核心瓶颈提供了全新的思路。由于晶体缺陷对于轨道流起到了“加油站”式的增强作用，这意味着研究人员终于可以不再受限于传统自旋霍尔角与自旋霍尔电导之间的此消彼长关系。通过主动引入缺陷，能够实现轨道霍尔角和轨道霍尔电导的同时增大，从而一举突破传统方法的限制，显著降低器件的写入电流和功耗。

这一发现，不仅为高效的轨道电子学器件提供了新的物理基础，也为整个电子学领域带来了全新的设计思路。

《自然·材料》期刊的审稿人对该工作给予了高度评价，认为其在基础科学和器件应用两方面均具有重要价值。在基础科学层面，这项工作揭示了轨道霍尔效应与自旋霍尔效应的本质区别，对于将轨道电子学领域的研究热情推向新高度至关重要。在器件应用层面，该发现对解决功耗瓶颈具有突破性意义。