8月15日，記者從中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲悉，該所柔性磁性材料與器件團(tuán)隊(duì)對(duì)新一代自旋電子器件的研究取得了關(guān)鍵突破。研究人員利用“反常標(biāo)度律”，將器件內(nèi)部阻礙電子運(yùn)動(dòng)的“絆腳石”，轉(zhuǎn)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(guān)成果在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》。

隨著人工智能與大數(shù)據(jù)時(shí)代的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)電子技術(shù)正日益逼近其性能極限，“功耗墻”已成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)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(yōu)勢(shì)，被視為突破“功耗墻”的潛力技術(shù)。然而，自旋電子器件在邁向大規(guī)模應(yīng)用的道路上，卻遇到了寫(xiě)入電流和寫(xiě)入功耗過(guò)高的巨大挑戰(zhàn)。

“與傳統(tǒng)電子學(xué)僅利用電子的‘電荷’屬性不同，自旋電子學(xué)額外利用了電子固有的‘自旋’屬性。翻轉(zhuǎn)電子就像擰螺絲，普通電流提供的推力不管用，必須產(chǎn)生‘扭矩流’。”論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員汪志明說(shuō)，過(guò)程中自旋霍爾角和自旋霍爾電導(dǎo)需要同步增大，才能實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入電流和功耗的同步降低，但在傳統(tǒng)方法中，兩者的此消彼長(zhǎng)阻礙了自旋電子器件走向更低功耗應(yīng)用。

為此，研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向了電子的另一屬性“軌道”。研究人員發(fā)現(xiàn)，電子的“軌道”與“自旋”在遇到材料缺陷時(shí)，表現(xiàn)截然不同。對(duì)于“自轉(zhuǎn)”產(chǎn)生的自旋流而言，缺陷是純粹的障礙，會(huì)干擾電子的旋轉(zhuǎn)方向，造成信息損耗。對(duì)于“公轉(zhuǎn)”產(chǎn)生的軌道流，該團(tuán)隊(duì)在名為SrRuO3的過(guò)渡金屬氧化物中，發(fā)現(xiàn)了一種顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的全新物理規(guī)律。

研究表明，當(dāng)電子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，過(guò)去被認(rèn)為是“絆腳石”的晶體缺陷，在與電子的軌道流相互作用時(shí)，反而起到了“加油站”的作用。引入的缺陷越多，電子散射越頻繁，最終探測(cè)到的軌道效應(yīng)反而越強(qiáng)。這揭示了一種全新的“反常標(biāo)度律”，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電子“軌道”在輸運(yùn)過(guò)程中，遵循著與“自旋”截然不同的獨(dú)特物理規(guī)律。

據(jù)介紹，這一“反常標(biāo)度律”的發(fā)現(xiàn)，不僅為高效的軌道電子學(xué)器件提供了新的物理基礎(chǔ)，也為整個(gè)自旋電子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)思路。