電流誘導力矩可以高效地實現電流驅動的磁疇壁移動及磁矩翻轉，在自旋電子學領域具有重要的研究意義，有望實現新型高性能磁存儲器件。目前，大多數研究關注于具有強自旋軌道耦合的重金屬體系，流過重金屬中的電流通過自旋霍爾效應産生自旋流，自旋流與鐵磁磁矩交換角動量進而誘導自旋軌道力矩。然而，不具備強自旋軌道耦合的輕金屬體系一般不能觀測到自旋霍爾效應，因此輕金屬材料中很難産生強的自旋軌道力矩效應。在材料中，除了自旋流外，電子軌道流也可以傳遞角動量。比較而言，一方面，電子軌道流的産生不依賴材料體系中的自旋軌道耦合效應；另一方面，雖然在基态下軌道流會快速淬滅，但是在電場的作用下軌道角動量的積累依然可能存在，這表明軌道流在材料體系中會更加本征；此外，理論研究表明在強自旋軌道耦合體系中，軌道流可以有效地轉換為自旋流，因此，實驗上如何利用軌道流進一步提高自旋流的轉換效率成為研究的關鍵。
近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室楊金波教授課題組與德國美因茨大學M. Kläui教授和于利希研究中心Y. Mokrousov教授課題組合作，在自旋電子學研究領域取得了重要進展。聯合研究團隊針對氧化銅體系中的軌道Rashba-Edelstein效應展開研究，首次觀察到軌道Rashba-Edelstein效應誘導的新型磁電阻效應，表明不具備強自旋軌道耦合的體系中仍可以利用電流誘導産生力矩。
聯合研究團隊通過研究氧化銅（CuOx）/坡莫合金（Py）體系中的電流誘導力矩效應，發現該體系中存在類似于自旋霍爾磁電阻（Physical Review Letters 110, 206601 (2013)）的磁電阻效應（圖 1）。CuOx/Py 體系在 yz 平面内的磁電阻效應被認為是軌道Rashba-Edelstein磁電阻效應，通過改變 Py 的厚度，CuOx/Py 體系中的磁電阻效應相對于 Pt/Py 體系呈現出更加緩慢的衰減趨勢（圖2）；利用自旋模型對數據進行拟合分析，結果表明 CuOx/Py 體系中具有較長的有效自旋散射長度，說明自旋流不是引起磁電阻的主要因素，進一步證明了體系中軌道Rashba-Edelstein效應的存在。該研究工作表明部分輕金屬（氧化物）可以通過軌道霍爾效應和軌道Rashba-Edelstein效應誘導産生電流力矩，為研發高效率、低成本的自旋軌道力矩器件提供了一種新思路。
圖1 (a)-(c) CuOx(3 nm)/Py(5 nm) 異質結構在三個旋轉平面(α, β, γ) 内的磁電阻效應(300 K, 6 T)，右圖為霍爾結構示意圖以及旋轉角度的定義（其中， γ 平面内的磁電阻為各向異性磁電阻效應，β 平面内的磁電阻為軌道 Rashba-Edelstein 磁電阻效應，α 平面内的磁電阻為 β 與 γ 平面内磁電阻效應之和）
圖2 (a)-(b) 6 T 磁場下，Pt(4 nm)/Py(tF )和 CuOx(3 nm)/Py(tF) 在 β 平面内的磁電阻效應；(c)-(d) 兩個體系中磁電阻比率随 Py 厚度的變化關系（其中，紅色曲線是數據的拟合曲線，綠色虛線曲線表示将 Py 的自旋散射長度帶入公式後獲得的磁電阻與 Py 厚度的變化關系，表明體系中的磁電阻效應不來自于自旋流）
2022年2月10日相關成果以“軌道Rashba-Edelstein磁電阻的觀測”（Observation of the Orbital Rashba-Edelstein Magnetoresistance）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters），并被選為編輯推薦文章（Editors’ Suggestion）。beat365官方网站2016級博士研究生丁石磊（現為蘇黎世聯邦理工學院博士後）、2019級博士研究生梁中宇和德國于利希研究中心博士後Dongwook Go為共同第一作者，楊金波教授為通訊作者。
上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃，以及量子物質科學協同創新中心和beat365長三角光電科學研究院等支持。
論文原文鍊接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.067201
近年來，楊金波課題組與合作者在自旋電子學方面取得了系列研究成果，研究了鐵磁絕緣體中的界面非對稱交換作用（Physical Review B 100, 100406 (R) (2019)），鐵磁絕緣體系中的自旋軌道力矩和界面DM相互作用的厚度依賴關系（Physical Review B 102 (5), 054425 (2020)），利用軌道流-自旋流的轉換實現了自旋軌道力矩的增強（Physical Review Letters 125, 177201 (2020)），探讨了鐵磁絕緣體/重金屬體系中反常霍爾的起源（Physical Review B 104, 224410 (2021)）等。
