轨道霍尔与自旋霍尔协同效应实现高效电控磁
在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助下，中国科学院东莞材料科学与技术研究所研究员吴昊/柯海波团队创新性地设计了非晶NiNb合金体系。相关成果近日发表于《先进科学》（Advanced Science）。
NiNb合金中，非常规的电荷-自旋转换效率与电阻率的标度关系及高效的自旋力矩驱动垂直磁化翻转。研究团队供图自旋电子学的核心挑战之一，是如何通过电学手段高效操控磁矩，其关键在于自旋流的高效产生。传统自旋霍尔效应（SHE）通过电荷流与自旋流的相互转换实现磁化翻转，但其局限性显著：自旋轨道耦合强度受限于重元素掺杂浓度和能带结构，自旋霍尔角提升空间有限；同时，自旋流输运过程中存在严重的焦耳热耗散及有限的扩散长度，导致临界翻转电流密度居高不下（通常在106-107 A/cm2量级），严重制约器件能效与集成密度。更为关键的是，在SHE框架下，自旋力矩与电阻率呈正相关，即自旋霍尔角越大，电阻率越高，热损耗也随之加剧，形成“高力矩与低能耗”之间的固有矛盾。
近年来，轨道霍尔效应的发现提供了极具潜力的替代路径。与SHE不同，轨道霍尔效应利用电子的轨道角动量而非自旋角动量进行输运，其优势在于轻质元素（如Ti、Cr、Cu）中即可产生显著的轨道响应，无需依赖重元素，从而降低材料成本与工艺复杂度。更重要的是，近期研究揭示了一种反常标度关系：在轨道霍尔效应中，随电阻率减小，轨道力矩反而增强，这与SHE的行为完全相反。这意味着选用高导电性（低电阻率）的轨道霍尔材料，可在显著降低焦耳热的同时获得更强自旋力矩，从根本上打破传统SHE的“力矩–能耗”权衡困境，预期临界翻转电流密度和能耗密度可较传统SHE器件降低一个数量级以上。
针对传统SHE“高力矩与低电阻率不可兼得”的矛盾，研究团队创新性地设计了非晶NiNb合金体系。该设计将具有强轨道霍尔效应的Nb与具有强自旋–轨道耦合的Ni进行合金化，并利用从晶态到非晶态的结构无序化——非晶态打破长程有序晶格对原子尺度轨道角动量的束缚，显著削弱晶体场对轨道极化的淬灭效应，使Nb原子中原本被抑制的轨道角动量得以释放并参与输运。
通过系统调控Ni/Nb化学计量比，团队实现了轨道霍尔效应与自旋霍尔效应的深度协同增强。理论计算表明，在等原子比构型中，Ni与Nb的态密度在费米能级处高度匹配，轨道杂化最强，自旋霍尔电导率与轨道霍尔电导率同时达到峰值。实验数据进一步验证，非晶NiNb合金的自旋–电荷转换效率高达1.4-1.7，较传统Pt、Ta等重金属SHE材料提升近一个数量级，且电荷–自旋转换效率随电阻率呈非单调依赖关系——这一反常行为与SHE体系中的正相关标度截然不同，表明非晶无序散射对轨道流和自旋流具有协同调控作用，为超越传统SHE的自旋流产生开辟了全新物理设计维度。
尤为重要的是，该工作揭示的非本征散射——即非晶合金中原子级无序和局域化学波动引发的动量弛豫——在轨道霍尔效应中扮演了“杠杆”而非“阻力”的关键角色。无序化不仅削弱了晶体场对轨道角动量的淬灭，还通过增强轨道宇称混合与费米面拓扑重构，使轨道极化效应更为显著，从而有效放大轨道力矩输出。基于这一物理认知，团队提出了一种新型器件设计范式：无需依赖昂贵的单晶或多晶外延薄膜，仅通过调控非晶合金的组分无序度和散射强度，即可设计轨道响应与电阻率之间的协同关系，实现“低电阻率+高自旋力矩”的理想组合。实验证明，在NiNb/CoTb垂直磁各向异性器件中，临界翻转电流密度降至3.24×106 A/cm2，较传统Pt/CoTb体系（～4×107 A/cm2）降低逾一个数量级，能耗密度同步下降。
该工作不仅为高能效轨道电子器件提供了灵活、可规模化的材料解决方案，更从基础物理层面确立了“无序化工程”作为优化电荷–自旋转换效率的有效途径，有望推动新一代低功耗自旋电子学向实用化迈出关键一步。
相关论文信息：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76805
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