近日，我院安红雨教授团队在国际纳米材料知名学术期刊Nano Letters上发表题为“Magnon-Mediated Orbital Torque Switching through an Antiferromagnetic Insulator”的研究成果，实验验证了磁子介导的轨道力矩的物理机制，为开发下一代超高能效、低功耗的轨道电子学器件开辟了新路径。论文由量子自旋材料与先进薄膜技术研究中心团队完成。杨卉副研究员为第一作者，东京科学大学陈泽瀚博士与博士后罗维开为共同第一作者，安红雨教授、王倩文助理教授及日本庆应义塾大学Kazuya Ando教授为论文通讯作者。

近年来，磁子——磁有序材料中自旋波的量子化激发——因其可以在绝缘体中传递角动量而不伴随电荷运动，为低功耗器件提供了全新思路。与此同时，轨道电子学的兴起使得研究人员开始关注电子的轨道角动量这一尚未被充分开发利用的自由度。2018年，理论物理学家就预测了轨道霍尔效应的存在；2023年韩国研究团队首次在轻金属钛（Ti）中观测到轨道霍尔效应。然而，磁子能否携带并传递轨道角动量，此前始终未有实验证实。本研究正是在这一关键科学问题上取得了突破。

研究团队创新性地设计并制备了Ti（钛）/NiO（氧化镍）/CoPt（钴铂合金）异质结构，通过在Ti层施加电荷电流，利用其巨大的轨道霍尔效应产生纯轨道流。研究证实，轨道角动量可以在NiO这一反铁磁绝缘体中通过磁子激发和传输并进行长距离传递——NiO厚度超过7纳米时仍能保持高效的轨道流传输效率。轨道流最终到达CoPt层后，通过强自旋轨道耦合作用转化为自旋流，从而产生作用于垂直磁化的有效力矩，驱动磁化翻转。

图1.磁子介导的轨道力矩产生示意图。该图展示了Ti/NiO/CoPt异质结中轨道流的产生与输运过程。轨道流由于轨道霍尔效应在Ti层中产生，随后通过磁子介导穿过NiO层进行输运。最终，轨道流注入CoPt层，通过该层中的强自旋-轨道耦合转化为自旋流，从而诱导出轨道力矩，实现CoPt层的垂直磁化翻转。

该研究的核心创新在于为磁子携带轨道角动量提供了直接的实验证据，揭示了全新的角动量输运和转换机制。研究结果表明，磁子轨道力矩在Ti/NiO/CoPt异质结中实现了接近Ti/CoPt双层样品的力矩效率，仅出现约10%的衰减，远优于以往研究中自旋角动量通过NiO时出现的50%损耗。

图2.器件性能对比。（a）CoPt单层和（b）Ti/NiO/CoPt异质结的二次谐波反常霍尔效应电阻曲线。（c）电流密度与电流诱导有效类阻尼场的关系以及（d）CoPt、NiO/CoPt、Ti/CoPt和Ti/NiO/CoPt四组器件的类阻尼转矩产生效率。（e）NiO、（f）Ti和（g）CoPt厚度对Ti/NiO/CoPt单位电场有效转矩产生效率的影响。

本研究成果有望为下一代信息存储技术带来革新：磁子介导的角动量传输不依赖电子运动，可大幅降低焦耳热损耗，赋能更节能的绿色计算；轨道霍尔效应在轻金属Ti中的效率远超重金属的自旋霍尔效应，有望显著降低自旋轨道矩磁随机存储器的写入功耗、提升存储密度；首次将磁子学与轨道电子学从理论推向实验融合，为构筑“磁子-轨道电子学”器件奠定实验基础。

本研究获得了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省教育厅重点领域专项、深圳市超金刚石与功能晶体应用技术重点实验室及广东省普通高校特色创新项目等多项资助。近年来，安红雨教授团队围绕自旋轨道电子学、磁性纳米薄膜等核心方向，已在反常霍尔效应调控、自旋轨道矩效率提升及材料体系拓展等方面取得了一系列重要进展。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6c01352