轨道电流首次直接用于信息读写

来源：科技日报
记者：张梦然

德国美茵茨大学（Johannes Gutenberg University Mainz）研究团队在权威期刊《科学》（Science）上发表最新成果，轨道首次实现了利用轨道电流直接进行信息的电流读写读写操作，且全程无需将其转换为自旋电流。首次这一突破性进展为开发超低能耗存储器和处理器开辟了新路径。直接

从电荷到自旋，用于再到轨道角动量

传统电子设备主要依赖电子的信息电荷属性来传输和处理信息；自旋电子学（Spintronics）则进一步利用了电子的自旋属性。近年来兴起的轨道轨道电子学（Orbitronics）更进一步，利用电子围绕原子核运动产生的电流读写轨道角动量来承载信息。

理论上，首次轨道电流产生的直接信号强度比自旋电流高出数个数量级，具备大幅降低数据存储和处理能耗的用于巨大潜力。然而，信息此前轨道电流必须先转换成自旋电流才能被实际应用，轨道这一限制严重阻碍了其潜力的电流读写发挥。

构建双层模型，首次实现直接耦合

为了解决这一难题，研究团队构建了一个创新的模型系统：
1. 材料结构：在绝缘反铁磁材料氧化钴上覆盖一层铜。
2. 表面反应：铜在表面反应形成氧化铜。
3. 电流传播：已知轨道电流会在铜-氧化铜层中形成，并向氧化钴层传播。

团队成功将铜中可移动的轨道矩与氧化钴中局域的轨道矩直接耦合在一起。这种耦合是实现信息读出的关键机制——根据两种轨道矩的相对排列方向，可以对应表示二进制中的“0”或“1”。

信号强度提升两个数量级

此次实验成功的关键，在于使用了以轨道角动量为主的磁体。此前的研究大多依赖以自旋为主的磁体。

团队将该轨道电子系统与传统的氧化钴/铂自旋电子系统进行了对比测试，结果显示：
* 信号强度：前者产生的信号强度比后者高出两个数量级。
* 作用机制：轨道电流与氧化钴的相互作用方式与自旋电流完全不同。轨道电流并非简单模仿自旋电流的行为，而是激活了反铁磁材料中被隐藏的特性。

展望：下一代节能计算技术

团队认为，具有强轨道特性的反铁磁材料将成为未来轨道电子器件的理想平台。这一技术有望推动开发出更节能的存储和计算技术，帮助应对日益严峻的资源与能源消耗挑战。

总编辑圈点

理论上，利用电子绕原子核运动产生的轨道电流进行存算，具有信号强度高、能耗低的理想特性。但长期以来，由于无法直接利用轨道电流，必须将其转换为自旋电流，导致转换过程不可避免地降低了性能并增加了能耗，削弱了轨道电流的优势。

此次科研人员搭建了特殊的双层材料模型，成功打通了轨道电流直接读写信息的通路。若这种新的信息读写方式在未来得到广泛应用，将有助于开发下一代高性能存储与计算芯片，有效缓解数据中心的耗电压力，助力计算技术的可持续发展。

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