物理學家發現了一種前所未有的量子現象，它可以精確地操縱電子自旋和磁化。這項進展有望推動下一代自旋電子技術的發展，包括模擬人腦功能的神經形態計算。

在當今快節奏的數位世界中，對更大儲存容量、效率和運算能力的需求與日俱增。 為了跟上時代的步伐，科學家正在探索令人興奮的自旋電子學領域，它有可能徹底改變現代電子學。

傳統電子裝置僅依靠電子的電荷來處理和儲存訊息，而自旋電子裝置則不同，它同時利用了電子的電荷和自旋。 透過為電子自旋分配二進制值，向上為0，向下為1，這些設備可以實現更快的性能和更高的能效。

然而，要使自旋電子學成為現實，研究人員必須更深入地了解材料的量子特性。 其中一個關鍵因素是自旋力矩，它能使電流控制磁化–這是開發下一代資料儲存和處理技術的關鍵功能。

猶他大學和加州大學歐文分校（UCI）的研究人員發現了一種新型自旋軌道力矩。 這項研究發表在2025年1月15日《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）上，展示了一種透過電流操縱自旋和磁化的新方法，他們將這種現象稱為反常霍爾轉矩。

猶他大學物理和天文學助理教授、該研究的第一作者埃里克-蒙托亞（Eric Montoya）說：”這是全新的物理學，本身就很有趣，但隨之而來的還有很多潛在的新應用。 “這些自發的自旋力矩對於新型計算（如神經形態計算，一種模仿人類大腦網路的新興系統）來說是獨一無二的。 “

首次利用異常霍爾扭矩效應的自旋電子原型設備。

電子具有微小的磁場，就像地球一樣，電子具有雙極性–有些自旋朝北（”向上”）或朝南（”向下”），有些則介於兩者之間。 與磁鐵一樣，相反的磁極相吸，而相似的磁極相斥。 自旋方向力矩是指電子圍繞一個固定點旋轉的速度。

在某些材料中，電流會根據電子的自旋方向進行分類。 自旋方向的分佈稱為對稱性，它將影響材料的特性，如鐵磁體磁場的定向流動。

反常霍爾轉矩與著名的反常霍爾效應有關，反常霍爾效應由埃德溫-霍爾於1881 年發現。 異常霍爾效應描述了電子通過磁性材料時如何發生非對稱散射，從而導致電荷電流與外部電流成90 度流動。 事實證明，自旋也會發生類似的過程–當外部電流作用於材料時，自旋電流會與電流成90 度流動，自旋方向沿著磁化方向。

「這實際上歸結為對稱性。不同的霍爾效應 描述了我們如何有效控製材料中自旋方向的對稱性，」蒙托亞說。 “可以在同一種材料中產生一種效應，也可以產生所有效應。 作為材料科學家，我們可以真正地調整這些特性，讓設備做不同的事情。”

反常霍爾力矩是自旋電子學新興概念的一個實例，這種概念被稱為自生自旋軌道力矩，它表現出獨特的自旋力矩對稱性，最適合支持未來的自旋電子裝置。 反常霍爾轉矩與自旋霍爾轉矩和最近發現的平面霍爾轉矩（也是由包括共同作者蒙托亞和加州大學洛杉磯分校物理學家伊利亞-克里沃羅托夫在內的研究小組發現的）一起，構成了霍爾類自旋軌道轉矩的三個要素。 由於所有導電自旋電子材料中都應存在這三重力矩，因此作者將其命名為”通用霍爾力矩”。 它們的普遍性將為研究人員開發自旋電子裝置提供強大的工具。

傳統的自旋電子裝置通常由夾在兩種鐵磁性材料之間的非磁性層組成，如磁阻隨機存取記憶體（MRAM）。 自旋扭矩MRAM 透過從一個磁層向第二個磁層注入自旋極化電流，從而翻轉第二個磁層的自旋方向來儲存和處理資料。 自旋方向”向上”或”向下”可映射為二進位資料儲存中使用的0 和1。 與依靠磁場翻轉磁流的傳統MRAM 相比，自旋扭矩MRAM 可以更快、更有效率地儲存和存取資料。

作者證明，在他們的設備中，自旋方向可以從鐵磁導體轉移到相鄰的非磁性材料上，因此無需第二個鐵磁層。 事實上，作者首次利用反常霍爾扭矩效應製造出了自旋電子原型。

“我們利用反常霍爾力矩創建了一個奈米級設備，稱為自旋力矩振盪器。”克里沃羅托夫說：”這種裝置可以模仿神經元的功能，但體積明顯更小，運行速度更高。

編譯自/ ScitechDaily