轨道电子学向前一步：自旋与轨道态的捆绑被打破

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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

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