近日，深圳技术大学新材料与新能源学院安红雨教授团队受邀在物理学权威中文期刊《物理学报》上发表题为“轨道电子学：物理机制、核心特征与材料体系”的长篇综述论文。该论文系统梳理了轨道电子学这一前沿交叉领域的理论框架与实验进展，全面阐述了轨道流的电学激发与探测机制、轨道电子学的核心物理特征、关键材料体系以及在磁存储和太赫兹发射等领域的应用前景，为国内轨道电子学领域的进一步发展提供了重要的学术参考。论文由深圳技术大学新材料与新能源学院为第一单位，杨卉副研究员为第一作者，王倩文助理教授、武汉理工大学高藤华教授及安红雨教授为共同通讯作者。

近年来，轨道电子学作为凝聚态物理与信息技术交叉领域的新兴方向，以电子轨道角动量流为信息传递的新载体，为下一代低功耗、高性能信息器件打开了全新的物理视野。与自旋流不同，轨道流的产生不依赖于强自旋-轨道耦合，因此可在更广泛、更轻质、成本更低的材料体系中实现高效激发。然而，轨道角动量的产生、输运与转换机制远较自旋复杂，其内在规律尚未被系统揭示。

该综述全面论述了轨道电子学的激发机制：轨道霍尔效应与轨道Rashba-Edelstein效应，以及相应的电学、光学探测方法。进一步提炼了轨道电子学区别于自旋电子学的三大核心物理特征：长程输运：轨道流在铁磁体中的扩散长度可达数十纳米，远超过自旋流，是实现高效角动量传递的关键优势；转矩机制不同：传统自旋轨道矩依赖非磁层的强自旋-轨道耦合，而轨道转矩则依赖铁磁层的自旋-轨道耦合——轨道流必须先通过铁磁层转换为自旋流，再作用于磁矩；对原子排列敏感：轨道响应与晶体对称性、原子有序度及结构取向高度耦合，可通过结晶度、相变、取向匹配等手段主动调控。在材料方面，系统梳理了“轨道霍尔源”材料和“轨道-自旋转换”材料两大类型。轻金属不仅轨道霍尔电导率可超过重金属的自旋霍尔电导率数倍，且电阻率低、与半导体工艺兼容，展现出显著的应用潜力。在应用方面，综述重点介绍了轨道矩磁性随机存储器和轨道太赫兹发射器的最新进展。实验表明，采用钌、铌、铬等轻金属作为轨道霍尔层时，磁化翻转功耗可降低60%以上；基于逆轨道霍尔效应的太赫兹发射器则表现出超长扩散长度和宽工作带宽等优势。

图1.轨道Rashba-Edelstein效应与轨道霍尔效应原理示意图：（a）对称性破缺界面处的轨道Rashba-Edelstein效应产生示意图；（b）轨道Rashba效应：电偶极矩和表面电场的相互作用；（c）轨道Edelstein效应：施加电场时，出现非平衡轨道角动量；（d）轨道霍尔效应的宏观输运图像；（e）中心对称材料中由轨道织构驱动的轨道霍尔效应机制；（f）非中心对称材料中由本征轨道矩与贝里曲率驱动的轨道霍尔效应机制；

利用电子的轨道角动量自由度有望为自旋电子学、量子计算等前沿方向提供更高能效、更高密度的信息处理方式。该综述的发表不仅彰显了深圳技术大学在轨道电子学前沿领域的学术影响力，也为国内凝聚态物理与信息技术交叉学科的发展注入了新的活力。该综述的创新价值体现在以下三个方面：系统归纳了轨道电子学的三大核心物理特征（长程输运、对自旋-轨道耦合的依赖性、与原子排列的强耦合性），为理解轨道自由度的独特行为提供了完整的物理图像。从轻金属到复杂氧化物界面，从三维材料到二维材料，全面呈现了轨道霍尔材料的研究现状与性能调控规律。系统阐述了轨道矩在低功耗磁存储与高效太赫兹发射等新兴领域中的应用潜力，为轨道电子学从基础研究向实际应用的转化提供了清晰的技术路线。

本研究获得了国家自然科学基金项目（批准号：52571262, 52522214, 52372092）、广东省自然科学基金项目（批准号：2025A1515012499）、广东省教育厅普通高校特色创新项目（批准号：2024KTSCX056）、湖北省区域科技创新计划国际科技合作项目（批准号：2024EHA025）等多项资助。近年来，安红雨教授团队围绕自旋轨道电子学与磁性纳米薄膜等核心方向，在轨道转矩产生机制、高效率自旋-轨道转换材料、磁化翻转调控等前沿方向上取得了一系列重要进展，已在高水平国际期刊发表多篇重要论文。该团队的研究工作不仅为理解轨道电子学的物理机制提供了坚实的实验依据，也为低功耗、高性能自旋/轨道电子器件的开发奠定了材料与器件基础。

论文链接：https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.75.20260288