德国美茵茨大学研究团队在最新出版的《科学》杂志上发表一项成果：首次实现直接利用轨道电流进行信息读写，期间无需将其转换为自旋电流。这项突破为开发能耗极低的存储器和处理器开辟了新路径。
传统电子设备依赖电子的电荷属性传输和处理信息，自旋电子学则利用的是电子的自旋属性。近年来兴起的轨道电子学更进一步，利用电子围绕原子核运动产生的轨道角动量来承载信息。理论上，轨道电流产生的信号强度比自旋电流高出数个数量级，有望大幅降低数据存储和处理的能耗。但此前轨道电流必须先转换成自旋电流才能被实际应用，这限制了其潜力发挥。
团队构建了一个模型系统：在绝缘反铁磁材料氧化钴上覆盖一层铜，铜在表面反应形成氧化铜。已知轨道电流会在铜-氧化铜层中形成并向氧化钴层传播。团队将铜中可移动的轨道矩与氧化钴中局域的轨道矩直接耦合在一起，这种耦合是实现信息读出的关键——根据两种轨道矩的相对排列方向，可以对应表示二进制中的“0”或“1”。
耦合得以实现的关键，在于使用了以轨道角动量为主的磁体。此前的研究一直依赖以自旋为主的磁体。团队将这一轨道电子系统与传统的氧化钴/铂自旋电子系统进行了对比测试。结果显示，前者产生的信号强度比后者高出两个数量级。
进一步研究发现，轨道电流和氧化钴的相互作用方式，与自旋电流完全不同。轨道电流并非简单模仿自旋电流的行为，而是激活了反铁磁材料中被隐藏的特性。
团队认为，具有强轨道特性的反铁磁材料将成为未来轨道电子器件的理想平台，有望推动开发出更节能的存储和计算技术，帮助应对资源和能源消耗方面的挑战。
【总编辑圈点】
理论上来说，靠电子绕原子核运动产生的轨道电流存算信息，信号强度高、能耗低，是理想选择。但我们无法直接利用轨道电流，必须将它先转成自旋电流，转换过程不可避免地会降低性能、提高能耗，削弱了轨道电流的优势。此次科研人员搭建了特殊双层材料模型，打开了轨道电流直接读写信息的通路。这种新的信息读写方式未来若能得到应用，开发下一代高性能存储与计算芯片，可缓解数据中心的耗电压力，助力计算技术的可持续发展。
