科学家发现可提升电子设备运行速度、智能性与能效的瑕疵

自旋电子学（Spintronics，即“spin electronics”的简称）是一个旨在超越传统电子学限制的技术领域。传统器件仅依赖电子的电荷来存储和处理信息。自旋电子学则额外利用两个量子特性：自旋角动量（可想象为电子固有的“上”或“下”取向）和轨道角动量（描述电子绕原子核运动的方式）。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，运行更快，能耗更低，且在断电后仍能保留信息。

自旋电子学中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更便捷地“写入”数据至存储位，但这通常伴随代价：电阻增加，自旋霍尔电导率下降，整体功耗上升。这种权衡关系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（NIMTE）的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》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性质可被精确调控。该量子现象导致电子依据其轨道角动量定向运动。

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，与传统自旋体系形成鲜明对比。

为解释此现象，团队将其与类Dyakonov-Perel轨道弛豫机制相关联。“通常降低性能的散射过程反而延长了轨道角动量的寿命，从而增强了轨道电流，”研究的共同第一作者郑璇博士解释道。

“这项工作从根本上重写了器件设计规则，”研究的通讯作者王志明教授指出，“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：定制化的电导调控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，更重新定义了高效能自旋电子学的设计策略。

本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金及其他资助机构的支持。