科研人員在進行氧化物樣品分析。中國科學院寧波材料技術與工程研究所供圖

記者8月15日從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉,該所柔性磁電功能材料與器件團隊在新一代自旋電子器件研究領域取得關鍵突破。研究人員利用“非傳統標度律”,將器件內部阻礙電子運動的“絆腳石”,轉變成提升性能的“加油站”,為破解自旋電子器件面臨的核心瓶頸提供了全新思路。相關研究論文在線發表于《自然-材料》。

利用“散射增強軌道流”這一反常物理效應(左圖),實現自旋電子器件功耗的大幅降低(右圖)。(中國科學院寧波材料技術與工程研究所供圖)

隨著人工智能與大數據技術的飛速發展,傳統電子技術正日益逼近其性能極限。當芯片上集成的元器件越來越多、越來越密時,其總功耗和發熱量會急劇上升,而當元器件密度太高,散熱跟不上時,就無法再通過增加元器件來提升性能,仿佛撞上了一堵由功耗和熱量組成的無形之墻——“功耗墻”。如今,“功耗墻”已成為行業發展的關鍵瓶頸。新一代自旋電子器件在理論上具備高速、非易失等優勢,與之相關的技術則被視為突破“功耗墻”的潛力技術。然而,自旋電子器件在邁向大規模應用的道路上,卻遇到了寫入電流和寫入功耗過高的巨大挑戰。

“與傳統電子學僅利用電子的‘電荷’屬性不同,自旋電子學額外利用了電子固有的‘自旋’屬性。翻轉這些‘微型磁鐵’來存儲信息,就像擰螺絲,普通電流提供的推力不管用,必須產生‘扭矩流’。”論文通訊作者、中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員汪志明說,在向器件寫入信息的過程中,自旋霍爾角和自旋霍爾電導需要同步增大,才能實現寫入電流和功耗的同步降低,但在傳統方法中,兩者的此消彼長阻礙了自旋電子器件走向更低功耗應用。

為此,研究團隊將目光轉向了電子的另一屬性——“軌道”。研究人員發現,電子的“軌道”與“自旋”屬性在遇到材料缺陷時,表現截然不同。對“自轉”產生的自旋流而言,缺陷是純粹的障礙,會干擾電子的旋轉方向,造成信息損耗。對于“公轉”產生的軌道流,該團隊在名為SrRuO₃的過渡金屬氧化物中,發現了一種顛覆傳統認知的全新物理規律。

研究表明,當電子在材料中運動時,過去被認為是“絆腳石”的晶體缺陷,在與電子的軌道流相互作用時,反而起到了“加油站”作用。引入的缺陷越多,電子散射越頻繁,最終探測到的軌道效應反而越強。而軌道效應增強則意味著,此時器件性能越好、寫入信息時越節能。這揭示了一種全新的“非傳統標度律”,從實驗上證實了電子“軌道”在輸運過程中,遵循著與“自旋”截然不同的獨特物理規律。

據介紹,這一“非傳統標度律”的發現,不僅為研制高效的軌道電子學器件提供了新的物理基礎,也為自旋電子學領域帶來了全新的設計思路。

(原載于《科技日報》?2025-08-21?第06版)