Дефекты материалов могут улучшить спинтронные устройства благодаря орбитальному эффекту Холла

Характеристика ток-индуцированных спиновых и орбитальных моментов в гетероструктурах SRO. Автор: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02326-3. https://www.nature.com/articles/s41563-025-02326-3

Учёные превратили давнюю проблему электроники — дефекты материалов — в квантово-усиленное решение, открыв путь для нового поколения сверхэнергоэффективных спинтронных устройств. Спинтроника, сокращение от «спиновой электроники», — это область технологий, которая стремится выйти за пределы возможностей традиционной электроники.

Обычные устройства полагаются только на электрический заряд электронов для хранения и обработки информации. Спинтроника использует два дополнительных квантовых свойства: спиновый угловой момент (можно представить как внутреннюю «верхнюю» или «нижнюю» ориентацию электрона) и орбитальный угловой момент, который описывает движение электронов вокруг атомных ядер.

Используя эти дополнительные степени свободы, спинтронные устройства могут хранить больше данных в меньшем пространстве, работать быстрее, потреблять меньше энергии и сохранять информацию даже при отключении питания.

Долгое время главной проблемой спинтроники была роль дефектов материалов. Введение несовершенств иногда облегчает «запись» данных в биты памяти, снижая необходимый ток, но обычно это имеет обратную сторону: увеличивается электрическое сопротивление, снижается спин-холловская проводимость и растёт общее энергопотребление. Этот компромисс долгое время мешал созданию сверхэнергоэффективных устройств.

Группа «Гибкие магнитные и электронные материалы и устройства» из Нинбоского института технологий и инженерии материалов (NIMTE) Китайской академии наук нашла способ превратить эту проблему в преимущество. Их исследование, опубликованное в Nature Materials, сосредоточено на орбитальном эффекте Холла в рутенате стронция (SrRuO₃), оксиде переходного металла, свойства которого можно точно настраивать. Этот квантовый эффект заставляет электроны двигаться в зависимости от их орбитального углового момента.

Используя специально разработанные устройства и методы точных измерений, исследователи обнаружили необычный закон масштабирования, который даёт «два преимущества в одном»: инженерия дефектов одновременно усиливает и орбитальную холловскую проводимость, и орбитальный холловский угол, что резко контрастирует с традиционными спиновыми системами.

Для объяснения этого явления команда связала его с механизмом орбитальной релаксации, подобным эффекту Дьяконова-Переля. «Процессы рассеяния, которые обычно ухудшают производительность, на самом деле продлевают время жизни орбитального углового момента, тем самым усиливая орбитальный ток», — пояснил доктор Чжэн Сюань, соавтор исследования.

«Эта работа фактически переписывает правила проектирования таких устройств, — сказал профессор Ван Чжимин, ответственный автор исследования. — Вместо борьбы с дефектами материалов мы теперь можем их использовать».

Экспериментальные измерения подтверждают потенциал технологии: модуляция проводимости позволила добиться трёхкратного улучшения энергоэффективности переключения.

Это исследование не только даёт новые представления о физике орбитального транспорта, но и переопределяет стратегии проектирования энергоэффективной спинтроники.

Дополнительная информация: Siyang Peng et al, Unconventional scaling of the orbital Hall effect, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02326-3. www.nature.com/articles/s41563-025-02326-3

Источник: Китайская академия наук