当前，数据存储与逻辑计算所面临的能耗高等问题日益凸显，新兴的自旋-轨道电子学器件利用电子的自旋和轨道角动量属性进行信息存储和处理，为解决上述难题提供了新的策略。近年来，轨道电子学器件（Orbitronics）备受科学研究和产业应用领域的广泛关注。它利用电子的轨道角动量属性作为信息载体，通过外电场在非磁材料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，实现对磁性材料磁矩的高效调控，为设计新型低功耗磁性存储和逻辑器件开辟了新途径。
我校量子材料与器件研究院、电子与信息工程学院姜勇教授团队近两年在新型轨道电子学器件的研究中不断取得突破。2023年，该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【成果发表于npj Quantum Mater. 8, 28 (2023)】。2024年，该团队利用弱自旋-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【成果发表于Nat. Communi. 15, 8645 (2024)】。
近期，该团队利用轻金属Ti的轨道霍尔效应，研究了轨道矩对室温二维铁磁材料Fe3GaTe2的磁化翻转。实验结果表明Ti中产生的轨道矩可高效翻转Fe3GaTe2磁矩，其临界翻转电流密度约为1.6×106A/cm²。同时，理论计算表明该高效磁矩翻转源于Ti的高轨道霍尔电导率与Fe3GaTe2的高自旋-轨道转换系数的协同作用。该成果不仅为理解轨道矩翻转二维铁磁材料提供了实验和理论依据，且为构筑低功耗二维轨道电子学存储与逻辑器件奠定了基础。该工作以“Orbital torque switching of room temperature two-dimensional van der Waals ferromagnet Fe3GaTe2”为题已发表在Nature Communications 【Nat. Communi. 16, 7047 (2025)】上，第一作者为张德林教授、魏贺爽同学、段金瑜同学和陈佳丽同学，通讯作者为天津工业大学姜勇教授、张德林教授和北京理工大学蒋伟教授。
图1. （a）自旋轨道矩和（b）（c）轨道矩驱动Fe3GaTe2磁化翻转实验结果；（d）翻转机制图。
在上述研究成果的基础上，为了提高轨道矩效率，该团队系统的研究了元素掺杂对轨道霍尔效应及轨道矩的影响。利用MgO、Gd和Pt三种材料掺杂了轻金属Ti轨道霍尔材料，系统研究了三种掺杂材料在提升Ti的轨道矩效率方面的物理机制（图2），实现了掺杂对轨道矩效率及磁化翻转的高效调控，为设计和开发低功耗轨道电子学器件提供了一种最优策略。该工作以“Enhanced orbital torque efficiency and magnetization switching through M (M = MgO, Gd, and Pt) doping Ti orbital Hall channel for efficient orbitronic devices”为题已发表在Advanced Functional Materials【Adv. Funct. Mater. https://doi.org/10.1002/adfm.202505410】上，第一作者为杨玉鹤博士、刘鹏飞副研究员、杨益藩同学和张德林教授，通讯作者为天津工业大学姜勇教授、张德林教授、上海交通大学刘亮教授和山东大学张力舒教授。
图2.（a）（b）掺杂提高轨道矩效率的机理图。（c）（d）（e）掺杂后的轨道矩效率与掺杂浓度的关系图。（f）掺杂后的临界翻转电流密度结果。
基于轨道电子学器件的新型存储芯片有望实现更低功耗、更高密度的信息存储，为下一代计算架构提供核心硬件支持。随着材料设计、器件工艺和系统集成的不断突破，轨道电子学器件正在实现从实验室向产业应用的快速转化，为新一代信息技术的发展提供关键技术支撑。以上研究工作由天津工业大学联合北京理工大学、上海交通大学、燕山大学、山东大学等单位合作完成。上述工作获国家重点研发计划项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金集成项目、区域创新发展联合基金重点项目及面上项目、天津市自然科学基金重点项目等资助。
（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
