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不仅仅是自旋——电子轨道也能提供控制磁性的全新方法
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不仅仅是自旋——电子轨道也能提供控制磁性的全新方法 目前，科研人员正积极致力于开发一种“理想存储器”，希望在智能手机和笔记本电脑中减少发热，同时实现更高性能和更低功耗。韩国研究人员提出了一种控制磁性的全新可能性：利用电子轨道的交换相互作用——即电子绕原子核运动的行为——而非依赖传统的电子自旋交换相互作用（自旋是电子在半导体内部的自转性质）。 控制磁性的全新框架 由韩国科学技术院（KAIST）物理系李京镇教授与延世大学物理系金庆焕教授领导的联合研究团队，首次在世界范围内建立了一种新的理论框架，使得可以通过轨道交换相互作用自由控制磁性，突破了传统依赖电流控制磁性的技术限制。该研究发表在《Nature Communications》期刊上。 迄今为止，下一代存储器研究主要集中在电子自旋上。自旋指电子像微小陀螺一样绕自身轴旋转的性质，可以通过其旋转方向来存储信息。然而，电子同时还会沿着称为“轨道”的路径绕原子核运动。 在本研究中，研究团队从理论上证明，当电流通过时，电子的轨道能量会与磁性材料中的轨道直接相互作用，从而实现信息的传递。 通过这一机制，他们确认，相比传统基于自旋的方法，可以更高效地改变磁体的性质。 对未来电子器件的意义 这项研究最重要的成果在于发现：电流不仅可以改变磁体的方向，还可以改变磁体本身的内禀性质，例如磁各向异性（磁体的优选方向）和旋转特性。 特别是研究团队的计算表明，基于轨道的控制效应可能远强于现有的基于自旋的方法。这一发现预示着未来可能进入一个以轨道为核心的电子器件时代，在该时代中，轨道而非自旋将在半导体器件中发挥主导作用。 研究人员还提出了可行的实验测量方法，这有望进一步提升其在工业应用中的潜力。 与新兴交替磁性材料的联系 该原理同样可能适用于近年来在学术界备受关注的交替磁性材料（altermagnetic materials）。 交替磁性是一种新型磁性形式，其中原子内部的电子自旋以交替方向有序排列。尽管这些材料在宏观上不表现出明显磁性，但它们会强烈影响电子的运动。 正因如此，这类材料能够实现对电子态的精确调控，被认为在高速、低功耗半导体器件和下一代存储技术中具有重要前景。因此，该研究为未来逻辑器件和存储器件的发展提供了坚实的理论基础。 李根熙博士表示：“本研究表明，用电流控制磁性并不一定只能依赖自旋。从电子轨道运动的角度理解并控制磁性这一新视角，将成为推动下一代超高速、低功耗存储技术发展的重要里程碑。” Publication details Geun-Hee Lee et al, Orbital exchange-mediated current control of magnetism, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-68846-x |
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