2026年7月3日——一个国际研究团队在《科学》杂志上展示了如何利用电子的轨道角动量以电学方式读取磁状态。于利希研究中心的研究人员为这一轨道电子学里程碑式成果做出了贡献，为未来电子器件开辟了一条新路径。

在铜中产生的轨道电流首次能够高效地耦合到氧化钴中的轨道矩上。版权：Mathias Kläui，美因茨大学

电流速度很快；磁化状态则很持久。现代信息技术依赖于将两者结合起来。一项关键突破是巨磁阻效应（简称GMR效应），阿尔贝·费尔和于利希研究中心的彼得·格林贝格因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。该效应使得硬盘驱动器的存储密度显著提高，并成为自旋电子学的起点。

现在展示的轨道磁阻效应与GMR效应相关，但又更进一步。与GMR效应一样，材料的电阻会因其磁状态而改变。然而，这种读取并非基于电子的自旋，而是基于其轨道角动量。

通往轨道电子学的直接路径

来自于利希研究中心彼得·格林贝格研究所（PGI-1）尤里·莫克鲁索夫教授研究小组的马哈茂德·泽尔博士表示：“关键在于直接利用了所谓的轨道电流，因为这些电流可以比传统的自旋电流更有效地产生。因此，这一效应为下一代轨道电子器件（例如量子技术领域）开辟了一种新方法，这类器件可能比当今基于自旋的概念运行得更快、更节能。”

来自多个国际研究机构的20多位研究人员参与了这项工作。在东京大学制备的样品实验是在美因茨约翰内斯·古腾堡大学进行的。在那里，器件以及关键的输运测量被制造和执行。于利希研究中心的研究人员对该效应进行了理论描述。利用恩斯特·鲁斯卡中心的高性能电子显微镜，最终在实验中直观地展示了界面的高质量；这是实现所观察效应的关键。

强电流，大潜力

简单来说，轨道角动量描述了电子绕原子核的运动。这与电子的另一属性——自旋不同，自旋常被生动地描述为其内禀旋转或内部罗盘。

携带电子轨道角动量的电流被称为轨道电流。它们被认为很有前景，因为其强度可能显著超过自旋电流，并且可以在常见且相对环保的材料中产生。然而，到目前为止，这种潜力在实践中很难被利用。

原因在于：在传统磁体中，轨道角动量对磁性的贡献在很大程度上受到晶格的抑制——专家称之为“猝灭”。因此，轨道电流之前必须首先转换为自旋电流。这一中间步骤降低了效率，并限制了潜在优势。

界面决定差异

通过现在展示的轨道磁阻效应，这条迂回路径未来或许可以省去。其关键在于材料组合。研究人员将仅有几纳米厚的氧化钴层和氧化铜层结合在一起。氧化钴是一种反铁磁绝缘体。它不导电，从外部看几乎没有磁性。然而，其内部磁矩严格有序排列——并且电子的轨道角动量得到了异常良好的保持。

纯粹的轨道电子学方法

另一方面，氧化铜特别适合产生轨道电流。因此，在界面处，两种互补的材料相遇了：一个是轨道电流源，另一个则是首次直接与之相互作用的轨道磁体。

该论文的第一作者、美因茨约翰内斯·古腾堡大学的克里斯汀·施密特博士说：“因此，我们实现了首个纯粹的轨道电子学器件方法。我们首次成功地将移动的轨道矩与磁体中的局域轨道矩直接耦合。这样一来，我们在轨道电子学领域取得了一个里程碑，并为实现显著更节能的数据存储奠定了基础。”

测量到的轨道磁阻效应甚至比各种参考样品中相应的自旋基效应高出70倍。