作为霍尔效应家族的成员之一，轨道霍尔效应（Orbital Hall effect）无需依赖材料的强自旋轨道耦合效应，通过外电场作用在非磁层中将电荷流转换为轨道流，进而在磁性材料中转换为自旋流而进行其磁矩调控，可以用来设计新型的磁性存储和逻辑器件。轨道霍尔效应的逆效应，逆轨道霍尔效应（Inverse orbital Hall effect），可实现将自旋流转换为轨道流，进而转换为电荷流，为设计新型太赫兹源提供了新的方向。
我校量子材料与器件研究院、电子与信息工程学院姜勇/张德林教授团队近两年在新型轨道电子学器件的研究中取得了重要突破。2023年，团队利用太赫兹发射谱测量观察到弱自旋-轨道耦合轻金属Ti和Mn中的逆轨道霍尔效应，首次实验上证实了轨道电子学领域的重要物理现象逆轨道霍尔效应，标志着基于轻金属的轨道太赫兹源的诞生，相关研究成果以《Inverse orbital Hall effect and orbitronic terahertz emission observed in the materials with weak spin-orbit coupling》为题发表在期刊《npj Quantum Materials》上。
近期，团队利用弱自旋-轨道耦合轻金属Zr的轨道霍尔效应产生轨道转矩，实现了轨道转矩驱动不同轨道自旋转换系数铁磁材料的磁化翻转，且临界翻转电流密度低于重金属异质结。还深入分析了铁磁层的轨道-自旋转换系数对轨道转矩效率的影响并阐明了其中物理机制。该工作率先实验上证实了轨道流对垂直磁各向异性材料磁矩的高效翻转，相关实验结果以《Orbital torque switching in perpendicularly magnetized materials》为题发表在期刊《Nature communications》上。此外，姜勇/张德林教授团队申请了9件轨道电子学器件相关专利。这些工作为探索和开发新型磁性存储器件和逻辑器件以及太赫兹器件等轨道电子学器件产业化奠定了基础。
弱自旋-轨道耦合材料中的逆轨道霍尔效应和轨道太赫兹发射研究
姜勇/张德林教授团队联合中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心冯正研究员系统研究了逆轨道霍尔效应和轨道太赫兹源，不仅利用太赫兹技术首次观察到弱自旋-轨道耦合轻金属Ti和Mn中的逆轨道霍尔效应，还开发了增强逆轨道霍尔效应和轨道太赫兹发射的有效方法。该工作第一作者为天津工业大学王平老师、杨玉鹤同学、张德林教授和中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心冯正研究员。通讯作者为天津工业大学张德林教授和姜勇教授。
图1. （a）轨道霍尔效应、逆轨道霍尔效应、自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应的机制示意图。（b）基于逆轨道霍尔效应和逆自旋霍尔效应实现太赫兹发射的机制对比及Co/Ti、Co/Mn轻金属异质结和Co/W、Co/Pt重金属异质结的太赫兹发射谱
轨道转矩驱动垂直磁化材料的磁化翻转研究
姜勇/张德林教授团队联合北京理工大学姚裕贵/蒋伟教授团队利用弱自旋-轨道耦合轻金属Zr的轨道霍尔效应产生轨道转矩，实现了轨道转矩驱动铁磁材料的磁化翻转，轨道转矩效率和临界翻转电流密度分别可达~0.78和2.6×106 A/cm2，还深入分析了铁磁层的轨道-自旋转换系数对轨道转矩效率的影响并阐明了其中物理机制。该工作第一作者为天津工业大学杨玉鹤同学、王平老师、张德林教授和北京理工大学陈佳丽同学。通讯作者为天津工业大学张德林教授、姜勇教授和北京理工大学蒋伟教授。
图2. （a）轨道转矩和（b）自旋轨道转驱动磁化翻转机制图。轨道转矩驱动（c）Zr/[Co/Pt]3和自旋轨道转矩驱动（d）W/[Co/Pt]3磁化翻转曲线。
以上研究成果由天津工业大学联合北京理工大学、中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心、同济大学、北京科技大学、中科院物理所等单位共同完成。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市自然科学基金等支持。
（审稿：电子与信息工程学院 牛萍娟 编辑：党委宣传部 胡敏）
图片来源：电子与信息工程学院