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2026

锰薄膜，自旋-轨道电子学 | Nature Physics

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电场诱导轨道角动量，已经成为固态器件中一种重要的电子自由度，用于传感与磁态操控领域的自旋电子学功能。但在不同结构有序度、热有序度的导体中，轨道角动量的演化与弛豫机制，尚不明确。

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Min-Gu Kang，Pietro Gambardella教授团队在Nature Physics上发文，采用从强无序锰薄膜直至单晶α- 锰为研究对象，证实了轨道霍尔效应与轨道弛豫行为，具备稳定性且可定量表征。

基于轨道汉勒磁阻作为探测工具，研究发现：在以跳跃输运为主的非晶、多晶薄膜体系中，轨道霍尔电导率与电导率呈线性标度关系，该规律类似在不良金属（基于磁控溅射法制备的“非晶/纳米晶锰薄膜）中的反常霍尔效应、自旋霍尔效应。

锰体系的轨道弛豫时间处于皮秒量级，且随晶体有序度提升而缩短。变温测试区分出多种轨道弛豫通道：无序薄膜中，随温度升高，轨道弛豫机制由在位轨道退相逐渐转变为轨道间跳跃弛豫；而在单晶 α- 锰中，轨道弛豫则以埃利奥特-亚费特（Elliott–Yafet）型散射为主导。

研究证明，轨道角动量是一种对晶体结构扰动具有强耐受性的电子自由度，这说明了有序体系与无序体系中的轨道弛豫动力学，有助于在各类材料体系中，实现轨道态调控。

Orbital Hall conductivity and relaxation in thin films with variable disorder. 具有可变无序度的薄膜中，轨道霍尔电导率及弛豫行为

图1：不同结晶度锰薄膜的结构表征与器件几何结构。

图2：不同结晶度锰薄膜中，轨道汉勒磁电阻（Orbital Hanle magnetoresistance）。

图3：不同静态无序度薄膜中，轨道霍尔电导率和弛豫时间随电导率的标度关系。

图4：轨道霍尔电导率和弛豫时间的温度关系。

来源：今日新材料

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