中國(guó)學(xué)者揭示了一項(xiàng)可顯著降低自旋電子器件能耗的物理機(jī)制。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“寧波材料所”）柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用電子“軌道”屬性遵循的非傳統(tǒng)標(biāo)度律，能化電子運(yùn)動(dòng)阻力為性能增益。

該研究成果為突破傳統(tǒng)自旋電子學(xué)的性能瓶頸、設(shè)計(jì)超低功耗器件提供了全新的物理原理和設(shè)計(jì)思路。

寧波材料所研究員汪志明介紹，隨著人工智能與大數(shù)據(jù)的發(fā)展，傳統(tǒng)電子技術(shù)正逼近性能極限，“功耗墻”成為制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為此，科學(xué)家們將目光投向了自旋電子學(xué)這一前沿領(lǐng)域。新一代自旋電子器件在理論上具備了高速、非易失等優(yōu)勢(shì)，并被視為突破“功耗墻”的潛力技術(shù)。

然而，影響自旋電子器件“自旋流”產(chǎn)生效率的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即自旋霍爾角和自旋霍爾電導(dǎo)相互制約，傳統(tǒng)方法難以同時(shí)優(yōu)化，導(dǎo)致器件總體寫(xiě)入功耗過(guò)高。寧波材料所團(tuán)隊(duì)取得關(guān)鍵突破，將目光轉(zhuǎn)向了電子的另一屬性——軌道。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，過(guò)去被認(rèn)為是純粹“絆腳石”的晶體缺陷，在與電子的軌道角動(dòng)量相互作用時(shí)，反而起到了“加油站”的作用。引入的缺陷越多，電子散射越頻繁，最終探測(cè)到的軌道效應(yīng)反而越強(qiáng)。這揭示了一種全新的“反常標(biāo)度律”，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電子“軌道”在輸運(yùn)過(guò)程中，遵循著與“自旋”截然不同的獨(dú)特物理規(guī)律。

▲利用“散射增強(qiáng)軌道流”這一反常物理效應(yīng)（左圖），實(shí)現(xiàn)自旋電子器件功耗的大幅降低（右圖）。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所供圖

該研究結(jié)果表明，利用“反常標(biāo)度律”，通過(guò)主動(dòng)引入缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道霍爾角和軌道霍爾電導(dǎo)的同時(shí)增大，從而一舉突破傳統(tǒng)方法的限制，顯著降低器件的寫(xiě)入電流和功耗。這一發(fā)現(xiàn)不僅為高效的軌道電子學(xué)器件提供了新的物理基礎(chǔ)，也為整個(gè)自旋電子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)思路。