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近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所科研團(tuán)隊(duì)在軌道電子學(xué)研究方面取得進(jìn)展。該研究實(shí)驗(yàn)揭示了軌道霍爾效應(yīng)中存在一種與傳統(tǒng)自旋霍爾效應(yīng)截然不同的非傳統(tǒng)標(biāo)度律，解決了長(zhǎng)期以來(lái)制約自旋電子器件功耗優(yōu)化的一個(gè)根本性矛盾。在傳統(tǒng)自旋霍爾材料中，提高器件性能的關(guān)鍵參數(shù)即自旋霍爾角與自旋霍爾電導(dǎo)率相互制約。增強(qiáng)散射能夠提高霍爾角，卻導(dǎo)致霍爾電導(dǎo)率降低。這種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系限制了器件功耗的進(jìn)一步優(yōu)化，成為構(gòu)建更高能效器件的主要障礙。針對(duì)上述難題，科研人員選取4d過(guò)渡金屬氧化物SrRuO3為研究體系，發(fā)現(xiàn)該體系中的軌道霍爾效應(yīng)表現(xiàn)出全新的非傳統(tǒng)標(biāo)度律：隨著材料中缺陷散射的增強(qiáng)即電導(dǎo)率降低，其軌道霍爾電導(dǎo)率和軌道霍爾角能協(xié)同增大。這為解決傳統(tǒng)自旋霍爾效應(yīng)中自旋霍爾角與自旋霍爾電導(dǎo)率的固有制約提供了新途徑，實(shí)現(xiàn)了“一石二鳥(niǎo)”的效果。?為解釋這一反常現(xiàn)象，該研究提出了一個(gè)可能的物理機(jī)制。理論分析表明，這一現(xiàn)象源于軌道角動(dòng)量在輸運(yùn)過(guò)程中獨(dú)特的Dyakonov-Perel-like軌道弛豫機(jī)制。在該機(jī)制下，通常被視為不利因素的雜質(zhì)散射反而減緩了軌道流的衰減，延長(zhǎng)了其壽命，從而在強(qiáng)散射區(qū)產(chǎn)生了更強(qiáng)的軌道霍爾效應(yīng)。該非傳統(tǒng)標(biāo)度律的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值在磁矩翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)材料缺陷的適度調(diào)控，器件的翻轉(zhuǎn)功耗可降低至原來(lái)的三分之一，證實(shí)了這一方法在優(yōu)化器件能效方面的潛力。?該研究實(shí)驗(yàn)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)深化了科研人員對(duì)雜質(zhì)散射在軌道輸運(yùn)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。研究成果為設(shè)計(jì)高效、低功耗的軌道電子學(xué)器件開(kāi)辟了新途徑，有望推動(dòng)軌道電子學(xué)研究的發(fā)展。8月15日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。論文鏈接軌道霍爾效應(yīng)的非傳統(tǒng)標(biāo)度律