自旋电子学面临的核心挑战之一，是如何通过电学手段高效操控磁矩，其关键在于自旋流的高效产生。传统上，自旋霍尔效应（SHE）被视为产生自旋流的主要机制，通过电荷流与自旋流的相互转换来实现磁化翻转。然而，自旋霍尔效应存在显著的局限性：一方面，其自旋轨道耦合强度通常受限于材料的重元素掺杂浓度和能带结构，导致自旋霍尔角难以大幅提升；另一方面，自旋流在输运过程中伴随严重的焦耳热耗散，且自旋扩散长度有限，使得临界翻转电流密度居高不下（通常在106–107 A/cm2量级），严重制约了器件的能效和集成密度。更为棘手的是，在SHE框架下，自旋力矩与材料电阻率呈正相关，即自旋霍尔角越大，电阻率越高，同时加剧了热损耗，形成“高力矩与低能耗”之间的根本矛盾。
近年来，轨道霍尔效应（OHE）的发现，成为极具吸引力的替代方案。与自旋霍尔效应不同，OHE利用电子的轨道角动量而非自旋角动量进行输运，其优势首先在材料源头，轨道角动量在轻质元素（如Ti、Cr、Cu）中即可产生强烈的响应，无需依赖重元素，从而大幅降低了材料成本与工艺复杂度。更重要的是，近期研究揭示了一种非常规的标度关系，在OHE中，随着电阻率的减小，轨道力矩反而增强，这与自旋霍尔效应的行为完全相反。这一反常标度关系意味着，通过选用高导电性（低电阻率）的轨道霍尔材料，可以在显著降低焦耳热的同时获得更强的自旋力矩，从而从根本上打破传统SHE的“力矩-能耗”权衡困境。利用这种标度关系，可以大幅降低磁化翻转过程中的临界翻转电流密度和能耗密度，较传统SHE器件可降低一个数量级以上。
针对传统自旋霍尔效应（SHE）中“高力矩与低电阻率不可兼得”的矛盾，电子信息材料与器件研究部与非晶材料研究部合作，创新性地设计了非晶NiNb合金体系。将具有强轨道霍尔效应（OHE）的Nb与具有强自旋-轨道耦合（SOC）的Ni进行合金化，并巧妙利用从晶体到非晶的结构无序化——非晶态打破了长程有序晶格对原子尺度轨道角动量的束缚，显著削弱了晶体场对轨道极化的淬灭效应，使得Nb原子中原本被抑制的轨道角动量得以充分释放并参与输运。
在此基础上，通过系统调控Ni/Nb化学计量比，研究团队实现了轨道霍尔效应与自旋霍尔效应的深度协同增强。理论计算表明，在等原子比（Ni₄Nb₄）构型中，Ni与Nb的态密度在费米面处高度匹配，轨道杂化最强，使得自旋霍尔电导率（SHC）和轨道霍尔电导率（OHC）同时攀升至峰值。实验数据进一步验证，非晶NiNb合金的自旋-电荷转换效率高达1.4–1.7，较传统Pt、Ta等重金属SHE材料提升近一个数量级，且电荷-自旋转换效率随电阻率呈现非单调依赖关系，这一反常行为与SHE体系中的正相关标度截然不同，表明非晶无序散射对轨道流和自旋流具有协同调控作用，为超越传统SHE的自旋流产生开辟了全新的物理设计维度。
更为重要的是，本工作揭示的非本征散射，即非晶合金中原子级无序和局域化学波动引发的动量弛豫，在轨道霍尔效应中扮演了“杠杆”而非“阻力”的关键角色。无序化不仅削弱了晶体场对轨道角动量的淬灭，还通过增强轨道宇称混合和费米面拓扑重构，使轨道极化效应更为显著，从而有效放大了轨道力矩的输出。基于这一物理认知，团队提出了一种全新的器件设计范式：无需依赖昂贵的单晶或多晶外延薄膜，仅通过调控非晶合金的组分无序度和散射强度，即可设计轨道响应与电阻率之间的协同关系，实现“低电阻率+高自旋力矩”的理想组合。实验证明，在NiNb/CoTb垂直磁各向异性器件中，将临界翻转电流密度降至3.24×106 A/cm2，较传统Pt/CoTb体系（~4×107 A/cm2）降低逾一个数量级，能耗密度同步下降。
该工作不仅为高能效轨道电子器件（如轨道力矩磁随机存储器和逻辑门）提供了灵活、可规模化的材料解决方案，更从基础物理层面确立了“无序化工程”作为优化电荷-自旋转换效率的方式，有望推动新一代低功耗自旋电子学向实用化迈出关键一步。
图 NiNb合金中，非常规的电荷-自旋转换效率与电阻率的标度关系及高效的自旋力矩驱动垂直磁化翻转
相关研究成果以“Efficient Current-Driven Perpendicular Magnetization Switching Through the Synergy of the Orbital and Spin Hall Effects”为题发表在Advanced Science期刊，中国科学院东莞材料科学与技术研究所为论文第一单位，吴闯文博士后、周靖副研究员和范轶博博士后为论文第一和共同第一作者，吴昊研究员和柯海波研究员为论文通讯作者。该工作得到了得到国家重点研发计划（2022YFA1402801）、国家自然科学基金（52271239、 12304149 和 52311530674）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515140117 和 2024A1515110196）、广东省量子科学战略专项（GDZX2302003、GDZX2301002、GDZX2402001 和 GDZX2301001）的支持。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76805
来源：电子信息材料与器件研究部
附件下载：