科学家发现可提升电子设备速度、智能与效能的缺陷本质

自旋电子学（Spintronics）是“spin electronics”的简称，这一技术领域旨在突破传统电子学的局限。传统器件仅依赖电子的电荷特性来存储和处理信息。自旋电子学则额外利用了两种量子特性：可想象为电子固有“上”或“下”方向的自旋角动量，以及描述电子绕原子核运动方式的轨道角动量。通过运用这些额外自由度，自旋电子器件能在更小空间存储更多数据，运行更快，能耗更低，且在断电后仍能保留信息。

自旋电子学中一个长期存在的挑战是材料缺陷的作用。在材料中引入缺陷有时可通过降低所需电流来简化数据"写入"存储位的操作，但这通常伴随着代价：电阻增大、自旋霍尔电导率下降及整体功耗上升。这种权衡取舍一直是开发超低功耗自旋电子器件的重大障碍。

如今，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电材料与器件团队将这一难题转化为优势。他们发表于《自然材料》的研究聚焦于钌酸锶（SrRuO3）中的轨道霍尔效应，这种过渡金属氧化物的特性可进行精细调控。该量子现象导致电子运动方式由其轨道角动量决定。

通过定制化器件和精密测量技术，研究人员发现了一种非常规的标度律，实现了"一石二鸟"的效果：缺陷工程同时提升了轨道霍尔电导率和轨道霍尔角，与传统基于自旋的系统形成鲜明对比。

为解释该发现，团队将其与类Dyakonov-Perel轨道弛豫机制相关联。"通常导致性能下降的散射过程实际上延长了轨道角动量的寿命，从而增强了轨道电流，"论文共同第一作者宣正博士解释道。

"这项工作从根本上重写了设计此类器件的规则，"论文通讯作者王智明教授表示，"我们现在无需规避材料缺陷，反而可以对其加以利用。"

实验测量证实了该技术的潜力：定制化的电导率调制使开关能效提升达三倍。

该研究不仅为轨道输运物理学提供了新见解，更重新定义了高能效自旋电子器件的设计策略。

本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。