自旋電子學(xué)有望發(fā)展出高速低功耗存儲-計(jì)算芯片新技術(shù)，為突破馮諾依曼架構(gòu)和解決后摩爾時(shí)代算力需求提供解決方案。第三代自旋電子學(xué)器件基于自旋流產(chǎn)生自旋軌道矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁性比特的調(diào)控。長期以來，人們認(rèn)為參與自旋軌道矩產(chǎn)生的自旋流都是通過自旋霍爾效應(yīng)等直接產(chǎn)生的，而軌道角動量高度局域且無法與磁性比特（自旋角動量的集合）相互作用。近年來，越來越多的研究開始大膽假設(shè)軌道角動量可以形成非局域軌道流，并通過磁性材料及其界面的自旋軌道耦合轉(zhuǎn)變成自旋流進(jìn)而向磁性比特施加極強(qiáng)的自旋軌道矩。軌道霍爾效應(yīng)能否產(chǎn)生非局域軌道流在自旋電子學(xué)領(lǐng)域引起了極大爭議，成為亟需解決的科學(xué)問題。
近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所開展了高精度的非磁導(dǎo)體/鐵磁雙層膜研究（鐵磁層包括Ni、Ni81Fe19、Fe、Fe60Co20B20、FePt等），其中非磁導(dǎo)體Ta是理論預(yù)言的最典型軌道霍爾效應(yīng)材料，其軌道霍爾電導(dǎo)（為正）比其自旋霍爾電導(dǎo)（為負(fù)）高50倍，且具有相反的符號，理論上可以產(chǎn)生很強(qiáng)的局域軌道極化。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ta施加給鐵磁層的自旋軌道矩總是大小相同且符號為負(fù)，與鐵磁層的種類、厚度和自旋軌道耦合強(qiáng)度無關(guān)。這一觀測清楚地表明自旋霍爾效應(yīng)是Ta異質(zhì)結(jié)中自旋軌道矩的唯一來源，而Ta的軌道霍爾效應(yīng)并不能產(chǎn)生非局域軌道流參與任何自旋軌道矩效應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)中先前在Ta/Ni雙層膜中觀測到的正自旋軌道矩實(shí)際來自Ni自身的自旋霍爾效應(yīng)且隨厚度增大而增大。有趣的是，Ni產(chǎn)生顯著體自旋軌道矩效應(yīng)所需的厚度相對其他磁性材料更小，所以Ni的體自旋軌道矩效應(yīng)在自旋電子實(shí)驗(yàn)中更易凸顯。
該研究澄清了自旋電子學(xué)領(lǐng)域關(guān)于Ta軌道霍爾效應(yīng)能否貢獻(xiàn)自旋軌道矩的重要爭論，對研究其他體系的軌道流效應(yīng)具有重要參考價(jià)值。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接
產(chǎn)生自旋軌道矩的自旋流可能來源：自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的自旋流和軌道霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的非局域軌道流
（a）Ta/鐵磁異質(zhì)結(jié)中的自旋軌道矩、鐵磁層的體自旋軌道耦合及界面垂直各向異性能密度（代表自旋軌道耦合強(qiáng)度），（b）對鐵磁層自身的體自旋軌道矩修正前和修正后的Ta/Ni雙層膜器件的自旋扭矩鐵磁共振信號
本文鏈接：軌道霍爾效應(yīng)研究取得進(jìn)展http://www.hufazx.com/show-12-1901-0.html
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