中国学者揭示了一项可显著降低自旋电子器件能耗的物理机制。中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“宁波材料所”）柔性磁电功能材料与器件团队发现，利用电子“轨道”属性遵循的非传统标度律，能化电子运动阻力为性能增益。
该研究成果为突破传统自旋电子学的性能瓶颈、设计超低功耗器件提供了全新的物理原理和设计思路。
宁波材料所研究员汪志明介绍，随着人工智能与大数据的发展，传统电子技术正逼近性能极限，“功耗墙”成为制约技术发展的瓶颈。为此，科学家们将目光投向了自旋电子学这一前沿领域。新一代自旋电子器件在理论上具备了高速、非易失等优势，并被视为突破“功耗墙”的潜力技术。
然而，影响自旋电子器件“自旋流”产生效率的两个关键指标，即自旋霍尔角和自旋霍尔电导相互制约，传统方法难以同时优化，导致器件总体写入功耗过高。宁波材料所团队取得关键突破，将目光转向了电子的另一属性——轨道。
研究发现，当电子在材料中运动时，过去被认为是纯粹“绊脚石”的晶体缺陷，在与电子的轨道角动量相互作用时，反而起到了“加油站”的作用。引入的缺陷越多，电子散射越频繁，最终探测到的轨道效应反而越强。这揭示了一种全新的“反常标度律”，从实验上证实了电子“轨道”在输运过程中，遵循着与“自旋”截然不同的独特物理规律。
▲利用“散射增强轨道流”这一反常物理效应（左图），实现自旋电子器件功耗的大幅降低（右图）。中国科学院宁波材料技术与工程研究所供图
该研究结果表明，利用“反常标度律”，通过主动引入缺陷，能够实现轨道霍尔角和轨道霍尔电导的同时增大，从而一举突破传统方法的限制，显著降低器件的写入电流和功耗。这一发现不仅为高效的轨道电子学器件提供了新的物理基础，也为整个自旋电子学领域带来了全新的设计思路。
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