物理学家发现了一种前所未有的量子现象，它可以精确操纵电子自旋和磁化。这一进展有望推动下一代自旋电子技术的发展，包括模拟人脑功能的神经形态计算。
在当今快节奏的数字世界中，对更大存储容量、效率和计算能力的需求与日俱增。 为了跟上时代的步伐，科学家们正在探索令人兴奋的自旋电子学领域，它有可能彻底改变现代电子学。
传统电子器件仅依靠电子的电荷来处理和存储信息，而自旋电子器件则不同，它同时利用了电子的电荷和自旋。 通过为电子自旋分配二进制值，向上为 0，向下为 1，这些设备可以实现更快的性能和更高的能效。
然而，要使自旋电子学成为现实，研究人员必须更深入地了解材料的量子特性。 其中一个关键因素是自旋力矩，它能使电流控制磁化--这是开发下一代数据存储和处理技术的关键功能。
犹他大学和加州大学欧文分校（UCI）的研究人员发现了一种新型自旋轨道力矩。 这项研究发表在2025年1月15日《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上，展示了一种通过电流操纵自旋和磁化的新方法，他们将这种现象称为反常霍尔转矩。
犹他大学物理和天文学助理教授、该研究的第一作者埃里克-蒙托亚（Eric Montoya）说："这是全新的物理学，本身就很有趣，但随之而来的还有很多潜在的新应用。"这些自发的自旋力矩对于新型计算（如神经形态计算，一种模仿人类大脑网络的新兴系统）来说是独一无二的。"
电子具有微小的磁场，就像地球一样，电子具有双极性--有些自旋朝北（"向上"）或朝南（"向下"），有些则介于两者之间。 与磁铁一样，相反的磁极相吸，而相似的磁极相斥。 自旋方向力矩是指电子围绕一个固定点旋转的速度。
在某些材料中，电流会根据电子的自旋方向对其进行分类。 自旋方向的分布被称为对称性，它将影响材料的特性，如铁磁体磁场的定向流动。
反常霍尔转矩与著名的反常霍尔效应有关，反常霍尔效应由埃德温-霍尔于 1881 年发现。 反常霍尔效应描述了电子通过磁性材料时如何发生非对称散射，从而导致电荷电流与外部电流成 90 度流动。 事实证明，自旋也会发生类似的过程--当外部电流作用于材料时，自旋电流会与电流成 90 度流动，自旋方向沿着磁化方向。
"这实际上归结为对称性。 不同的霍尔效应描述了我们如何有效控制材料中自旋方向的对称性，"蒙托亚说。"可以在同一种材料中产生一种效应，也可以产生所有效应。 作为材料科学家，我们可以真正地调整这些特性，让设备做不同的事情。"
反常霍尔力矩是自旋电子学新兴概念的一个实例，这种概念被称为自生自旋轨道力矩，它表现出独特的自旋力矩对称性，最适合支持未来的自旋电子器件。 反常霍尔转矩与自旋霍尔转矩和最近发现的平面霍尔转矩（也是由包括共同作者蒙托亚和加州大学洛杉矶分校物理学家伊利亚-克里沃罗托夫在内的研究小组发现的）一起，构成了霍尔类自旋轨道转矩的三要素。 由于所有导电自旋电子材料中都应存在这三重力矩，因此作者将其命名为"通用霍尔力矩"。 它们的普遍性将为研究人员开发自旋电子器件提供强有力的工具。
传统的自旋电子器件通常由夹在两种铁磁材料之间的非磁层组成，如磁阻随机存取存储器（MRAM）。 自旋扭矩 MRAM 通过从一个磁层向第二个磁层注入自旋极化电流，从而翻转第二个磁层的自旋方向来存储和处理数据。 自旋方向"向上"或"向下"可映射为二进制数据存储中使用的 0 和 1。 与依靠磁场翻转磁流的传统 MRAM 相比，自旋扭矩 MRAM 可以更快、更高效地存储和访问数据。
作者证明，在他们的设备中，自旋方向可以从铁磁导体转移到相邻的非磁性材料上，从而无需第二个铁磁层。 事实上，作者首次利用反常霍尔扭矩效应制造出了自旋电子原型。
"我们利用反常霍尔力矩创建了一个纳米级设备，称为自旋力矩振荡器。"克里沃罗托夫说："这种装置可以模仿神经元的功能，但体积明显更小，运行速度更高。我们的下一步是将这些设备互联成一个更大的网络，使我们能够探索它们执行神经形态任务（如图像识别）的潜力。"
编译自/ScitechDaily