自旋电子学的突破：科学家证实了一种此前未曾发现的物理现象

最近的一项研究发现了"轨道霍尔效应"，这种现象可以显著改善未来计算机设备的数据存储。这一发现涉及电子轨道运动产生的电能，为自旋电子学领域提供了潜在的进步空间，将带来更高效、更快速、更可靠的磁性材料。

在一项新的突破中，研究人员利用一种新技术证实了一种以前未被发现的物理现象，这种现象可用于改进下一代计算机设备的数据存储。

先进计算机和卫星中使用的自旋电子存储器利用电子固有角动量产生的磁态进行数据存储和检索。根据电子的物理运动，电子自旋会产生磁流。这被称为"自旋霍尔效应"，是磁性材料在许多不同领域的关键应用，从低功耗电子器件到基础量子力学，不一而足。

最近，科学家们发现电子还能通过第二种运动产生电流：轨道角动量，类似于地球围绕太阳公转。这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授罗兰-川上（Roland Kawakami）说，这就是所谓的"轨道霍尔效应"。

理论家们预测，通过使用轻过渡金属--自旋霍尔电流较弱的材料--轨道霍尔效应产生的磁电流将更容易被发现。但这项由物理学研究生伊戈尔-利亚林（Igor Lyalin）领导、发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的研究，展示了一种观察这种效应的方法。

川上说："几十年来，人们不断发现各种霍尔效应。但这些轨道电流确实是一个全新的概念。困难在于，它们与典型重金属中的自旋电流混合在一起，很难将它们区分开来。"

相反，川上团队通过将偏振光（这里是激光）反射到轻金属铬的各种薄膜上，来探测金属原子轨道角动量的潜在积累，从而证明了轨道霍尔效应。经过近一年的艰苦测量，研究人员探测到了清晰的磁光信号，显示聚集在薄膜一端的电子表现出强烈的轨道霍尔效应特征。

"这次成功的探测可能会对未来的自旋电子学应用产生巨大影响。"他说："自旋电子学的概念已经存在了 25 年左右，虽然它在各种存储器应用中都非常出色，但现在人们正试图走得更远。现在，该领域最大的目标之一就是降低能耗，因为这是提高性能的限制因素。"

降低未来磁性材料良好运行所需的总能量，有可能实现更低功耗、更高速度和更高可靠性，并有助于延长技术的使用寿命。从长远来看，利用轨道电流而不是自旋电流可能会节省时间和金钱。

研究人员指出，这项研究为进一步了解这些奇怪的物理现象是如何在其他种类的金属中产生的开辟了道路，他们表示希望继续深入研究自旋霍尔效应和轨道霍尔效应之间的复杂联系。

参考文献：Igor Lyalin、Sanaz Alikhah、Marco Berritta、Peter M. Oppeneer 和 Roland K. Kawakami 的《铬中轨道霍尔效应的磁光探测》，2023 年 10 月 11 日，《物理评论快报》。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.156702

来自：cnBeta