近日，物理学院王译教授与赵纪军教授团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表突破性成果“巨轨道-磁子转换驱动垂直磁矩翻转”（Giant orbital-magnon conversion driven perpendicular magnetization switching）的研究论文。研究发现了轨道-磁子转换新机制，实现高效垂直磁矩翻转，我校博士生孟凡毓为第一作者，王译教授与赵纪军教授为共同通讯作者，大工为第一单位。
超越摩尔定律的新型信息技术，亟待探索电子自旋、磁子和轨道等超越电荷的新型信息载体。实现上述不同自由度之间的高效转换，是极具挑战性的关键科学前沿。王译教授团队长期开展电子自旋流和磁子流的高效产生相关物理与材料研究，致力于探索基于磁子的超快、低功耗信息存储与计算器件。磁子作为自旋波量子化准粒子，具有电中性、无焦耳热长距离传输及太赫兹本征频率等优势，磁子器件有望实现更低能耗与更快的运行速度。
2019年，王译教授团队在《科学》（Science）期刊上报道了以磁子替代电子作为信息载体，通过磁子驱动磁矩翻转的研究，首次实现了磁子信息存储，解决了磁子无法存信息的难题[Science366,1125(2019)]。当前的研究通常通过电子自旋角动量来激发磁子，而除自旋外，自然界还存在另一个重要物理量—电子轨道角动量（简称“轨道”）。轨道与磁子之间能否直接转换并驱动磁矩翻转，是一个兼具基础物理意义与应用价值的前沿科学问题。针对这一挑战，大连理工大学王译教授与赵纪军教授团队，设计了轨道金属/反铁磁绝缘体异质结体系，在室温下实验观测到巨轨道-磁子直接转换，并定量了反铁磁绝缘体NiO中的轨道-磁子转换系数，该效率比传统轨道体系提高了一个数量级。基于这一新机制，团队在室温下成功实现了商用铁磁材料CoFeB的垂直磁矩高效翻转。
该研究成果将“轨道电子学”与“磁子学”两大前沿领域有机联系起来，有望突破当前轨道转矩效应与磁子激发研究的瓶颈，为轨道驱动磁子量子效应研究提供了更广阔的材料体系与器件设计空间。该成果于5月20日发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。
图1.电子不同自由度之间的相互转换与轨道诱导磁子转矩效应。
图2. Ti/NiO/铁磁体异质结中轨道诱导磁子转矩效应的观测与NiO反铁磁磁有序的依赖特性。
图3.磁性绝缘体NiO中轨道-磁子转换机制及其显著的转换效率。
图4.室温下轨道-磁子转换介导的磁子转矩驱动垂直磁矩翻转。
图5.轨道-磁子转换机制在磁矩调控中的优异特性。
该研究工作得到了国家自然科学基金委重大项目、国际合作项目、国家高层次人才特殊支持计划、广东省量子科学战略专项等科研项目的资助。
