科学家发现可使电子设备更快速、更智能、更高效的缺陷

自旋电子学（Spintronics）是"自旋电子学（spin electronics）"的简称，这一技术领域旨在超越传统电子学的局限。传统器件仅依靠电子电荷存储和处理信息。自旋电子学则额外利用了两个量子特性：可视为电子固有"上"或"下"取向的自旋角动量，以及描述电子绕原子核运动方式的轨道角动量。通过利用这些额外的自由度，自旋电子器件能在更小空间存储更多数据，运行速度更快，能耗更低，且在断电后仍能保留信息。

材料缺陷的作用一直是自旋电子学领域的长期挑战。在材料中引入缺陷有时能通过减少所需电流使数据"写入"存储位变得更容易，但这通常伴随代价：电阻增大，自旋霍尔电导率下降，整体功耗上升。这种折中方案成为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找到了化弊为利的方法。其发表于《自然·材料》期刊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，研究者发现了一种非常规的标度律，实现"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，这与传统基于自旋的系统形成鲜明对比。

为解释此发现，团队将其与类Dyakonov-Perel轨道弛豫机制关联。共同第一作者郑旋博士表示："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。"

论文通讯作者王智明教授指出："这项工作本质上改写了器件设计的规则手册，我们现在可以主动利用材料缺陷而非与之对抗。"

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。

本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及其他资助机构的支持。