在信息技术高速发展的今天，如何实现对磁性材料磁化方向的高效、低能耗操控，已成为推动高密度磁存储器件发展的关键科学问题。传统的磁化翻转方法主要依赖于电流诱导的自旋轨道转矩（Spin-Orbit Torque, SOT），但这些方法不仅能耗高，而且通常需要使用铂（Pt）、钽（Ta）等含有重元素的金属材料，不仅成本高昂，而且材料选择范围有限。近年来，随着轨道电子学（orbitronics）的兴起，轨道角动量作为新的自由度，为磁化操控提供了全新的思路。轨道转矩(Orbital torque, OT)机制，另辟蹊径，通过利用轻金属中产生的轨道流，进一步转化为自旋流，从而实现对磁化的有效调控。理论研究也表明，与重金属的电荷-自旋转换效率相比，轻金属可能具有更大电荷-轨道转换效率。这一机制有望突破传统自旋源材料的局限，实现更加高效的磁化操控。
导 读
尽管轨道转矩展现出巨大潜力，但目前相关研究仍处于起步阶段，仍面临一些挑战。首先，以往的轨道转矩研究往往依赖于重金属材料或复杂的异质结构，尚未有研究明确证实仅使用3d轻金属即可实现垂直磁化的确定性翻转, 这也限制了轨道转矩机制的实际应用前景。其次，轨道转矩效率的调控机制尚不明确，尤其是磁性材料的自旋轨道耦合(SOC)强度如何影响轨道转矩效率，目前缺乏有效的实验验证。这些问题，不仅限制了对轨道转矩机制的深入理解，也严重制约了轨道电子学器件的进一步发展。因此，亟需开展系统的实验研究，探索轻金属在轨道转矩中的作用，并明确磁性材料SOC强度与轨道转矩效率之间的关系，为轨道电子学器件的设计与优化提供理论依据和实验支撑。
图1 图文摘要
研究团队构建了由轻金属钛(Ti)与稀土-过渡金属亚铁磁体Fe₁₋ₓGdₓ组成的Ti(10nm)/Fe0.70Gd0.30(10nm)异质结构薄膜，首次证实：仅借助 3d 轻金属 Ti 提供的轨道流，即可成功诱导亚铁磁垂直磁化的完全翻转。面外磁滞回线与反常霍尔回线结果均显示Fe0.70Gd0.30具有非常强的垂直磁各向异性。在面内磁场(HX=±40 mT)辅助下，施加连续脉冲电流即可实现两个垂直易磁化态的确定性翻转。其临界翻转电流密度约为1.5×107 A cm-2，这一数值与典型重金属(如Pt等)体系处于同一量级(图2)。连续多次脉冲循环后，霍尔信号幅值几乎不变，验证了翻转的稳定性与耐久性。这一结果直接证明了轻金属 Ti 是高效的轨道源材料，无需任何传统重金属即可驱动垂直磁化翻转。
图2 轻金属Ti实现亚铁磁垂直磁化的确定性翻转
为进一步确认翻转确实由轨道转矩主导，研究团队设计了三种对照样品：Si₃N₄/Fe0.70Gd0.30/Ti (Ti位于顶部)、Si₃N₄/Fe0.70Gd0.30/Si₃N₄ (无Ti层)以及Cu/ Fe0.70Gd0.30/Si₃N₄ (金属Cu既无自旋霍尔效应也无轨道霍尔效应)。实验发现：当 Ti 层位于顶部时，电流翻转极性随之反转，这确认了翻转极性是由轨道流极化方向决定。而后两种结构中均未观测到磁化翻转，排除了亚铁磁层自身自旋轨道转矩以及电流产生奥斯特磁场的贡献(图3)。研究团队进一步系统性改变 Ti 层厚度，发现临界翻转电流密度随Ti层厚度增加而降低至1.0×10⁷ A cm⁻² (图3)。谐波霍尔测量给出的轨道转矩XOT效率也随厚度增大而不断增加，在Ti层厚度为12 nm时，XOT达到1.3×10-7mTcm-2A-1，对应的有效轨道霍尔角约为0.1。以上结果进一步确认了该轨道转矩主要来源于轻金属钛的体相轨道霍尔效应，而非界面轨道效应(图4)。
图3 轻金属Ti层厚度依赖的轨道转矩翻转
图4 二次谐波方法测定轨道转矩效率
最后，为探究轨道转矩与磁性层自旋轨道耦合(SOC)的内在关联，研究团队通过调节Gd含量来调控Fe1-xGdx亚铁磁合金的磁性和自旋轨道耦合(SOC)强度，设计了 Ti/Fe0.70Gd0.30与Ti/Fe0.70Gd0.20 两种异质结构薄膜进行对照实验。尽管两者具有几乎相同的矫顽场(HC)、各向异性场(HK)和饱和磁化强度(MS)，但Gd含量更高的Fe0.70Gd0.30具有更强的SOC。实验测得前者的轨道转矩效率较后者提高约 4 倍，临界翻转电流降低约 25%，直接验证了轨道转矩效率随磁性层SOC 增强而增大的内在规律(图5)。此外，进一步的对比研究证实了磁性层SOC对轨道转矩效率的决定性作用：在 Ti/CoFeB/MgO(其SOC可忽略)结构中未观测到翻转，而在Ti/[Co/Pt]₃(其具有强SOC)结构中则可在低至 6×10⁶ A cm⁻² 的电流密度下完成翻转，有效轨道霍尔角高达0.4。
图5 自旋轨道耦合(SOC)依赖的轨道转矩效率
总结与展望
本研究成果在轨道电子学领域具有重要的科学意义和应用价值。首先，该研究首次实验证实了仅使用轻金属Ti即可实现亚铁磁垂直磁化的轨道转矩翻转，摆脱了对传统重金属材料的依赖。其次，研究明确了轨道转矩效率与磁性材料自旋轨道耦合强度之间的强相关性，为相关理论发展提供了重要实验支撑。此外，该研究还证实了Ti的体相轨道霍尔效应在轨道转矩中的主导作用，为深入理解轨道角动量在磁动力学中的作用机制奠定了实验基础。基于该研究成果，未来有望进一步推动高密度、低功耗轨道电子器件的发展。