轨道电子学向前一步：自旋与轨道态的捆绑被打破

现代材料中电子一般具有很强的自旋轨道耦合，如果改变电子的自旋态，其轨道也会随之发生变化。最近，一个国际团队在量子材料钕锶锰氧（NSMO）实现了自旋与轨道态的“独立”变化。这项成果或将对新一代逻辑和存储设备的研发开辟新道路。

撰文 | Glennda Chui

翻译 | 张和持

在设计电子产品时，科学家们需要想方设法操控电子的三大基本属性：电荷、自旋态（电子磁矩就是因自旋而产生的），以及核外电子云的形状，或称轨道。直到不久前，科学家们都认为，那些现代信息技术所不可或缺的材料中，有很强的自旋轨道耦合；也就是说，你无法在保证自旋不变的情况下迅速改变轨道，反之亦然。

但最近由美国斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）研究员、SLAC国家加速器实验室资深科学家Joshua Turner 领导的一个国际研究小组发表的一项研究表明，激光脉冲可以显著地改变某种材料中电子的自旋，而保持轨道不变。SLAC研究助理员，同时也是该项目的主要成员之一的Lingjia Shen称，这项成果为制造基于“轨道电子学”的下一代逻辑与记忆设备提供了新的途径。Shen 目前是瑞典隆德大学博士后研究员，在 SLAC 兼职。

Shen表示，“我们在该系统中观察到的现象与以往截然相反。这让我们有更大把握，能分别操控材料的自旋和轨道态，从而可以将轨道的形状看作变量，如0s，1s轨道，作为计算机的0和1，以此运算或储存信息。”

模型代表围绕原子核不同方向的模糊电子云 | 图片来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

一种有趣而复杂的材料该团队研究的是一种基于锰氧化物的量子材料，被称为NSMO（钕锶锰氧），它具有极薄的结晶层。这种材料早在30年前便为人所用：通过磁场改变电子的自旋态，以此储存信息。这种称为自旋电子学的方法被广泛应用于诸多设备。

NSMO还有望被用于制造基于斯格明子（skyrmions，一种由自旋电子的磁场产生的微小漩涡，与粒子相似）的新型计算机和储存设备。日本RIKEN新兴物质科学中心主任Yoshinori Tokura称，这种材料非常复杂。他本人也参与了这项研究。“与我们熟悉的半导体材料不同，NSMO是一种量子材料，它诸多电子的运动可以说是协同的，或者相关联的，而不是像其他材料一般相互独立，”他说道，“这就使得控制单一变量的尝试困难重重。”对于这种材料，一种常规研究方法是将激光打在它上面，看电子状态对于能量注入的反应。该研究团队正是这么做的，他们在 SLAC 的直线加速器相干光源（LCLS）所发出的 X 光照射下，观察了材料产生的反应。

一个熔化，而另一个没有他们本以为NSMO在吸收了近红外脉冲之后，材料中电子自旋与轨道的有序模式会彻底混乱，或者说“熔化”。然而 Turner 称，出乎所有人的意料，被熔化的只有自旋的模式，轨道模式完好如初。自旋与轨道态间的正常耦合彻底断裂，这意味着相关材料的研究面临重大挑战，毕竟此前从未观测到类似现象。

材料在经过激光脉冲后，电子自旋发生改变（黑色箭头），而轨道未发生改变（红色）| 图片来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Tokura 表示：“通常只需要些微的光激发作用便可以摧毁一切。而现在却能让轨道态——电子状态中对于未来设备最重要的一项——毫发无伤。这对于轨道电子学与相关电子的科学是很好的补充。”

正如自旋电子学中，电子的自旋态被改变；在轨道电子学中，可以改变轨道态来提供一个类似的函数。Shen认为，理论上基于轨道电子学的设备，将比基于自旋电子学的设备快10,000 倍。他补充说，两个轨道态之间的转换可以不用现在所使用的磁场，而是由太赫兹辐射的短脉冲实现，“如果能将两者结合，那么这样的设备在未来的应用中会有更加出色的表现。”目前该团队仍在研究结合两者的途径。

来自劳伦斯伯克利国家实验室先进光源（ALS），瑞士保罗舍勒研究所的瑞士光源（SLS），日本东京大学和筑波大学，以及芝加哥大学的科学家都为此次研究做出了贡献。本研究得到美国能源部（DOE）早期职业计划项目支持。

参考来源

https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-05-15-step-forward-orbitronics-scientists-break-link-between-quantum-materials-spin-and