自旋轨道力矩（SOT）磁控技术是下一代自旋电子器件的核心，传统上依赖自旋霍尔效应（SHE）。然而，轨道霍尔效应（OHE）因其高效磁控潜力近年备受关注。OHE 源于能带固有轨道纹理，电场可诱导轨道角动量（OAM）净流动，再通过自旋-轨道耦合转化为自旋流。尽管实验已证实过渡金属中的 OHE 存在，其外禀散射机制（如无序散射对轨道弛豫和电导率标度关系的影响）仍不明确。理论预测外禀散射会显著调控 OHE，且中心对称体系中可能出现类 Dyakonov-Perel 轨道弛豫（与自旋弛豫机制相反），但缺乏实验验证。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所汪志明研究员、宁波东方理工大学李润伟教授等研究者以 SrRuO₃（SRO）为模型体系，发现轨道霍尔电导率（σ_OH）存在非常规标度关系：高σ_xx时σ_OH恒定，但随σ_xx降低显著增强，与自旋霍尔效应（SHE）在低σ_xx下的抑制形成鲜明对比。此行为揭示了类 Dyakonov-Perel 轨道弛豫机制的关键作用。基于此标度关系，通过同步提升σ_OH和轨道霍尔角实现了增强的轨道力矩，在适度降低σ_xx时将自旋轨道力矩翻转功耗减少三倍。该工作阐明了外禀无序散射在 OHE 中的主导地位，为高效自旋电子学提供了新范式。

相关研究成果以“Unconventional scaling of the orbital Hall effect”为题，发表在Nature Materials上。宁波材料所硕士研究生彭思阳为第一作者，博士生郑轩为共同第一作者。

图1 SRO中OHE和SHE共存

图 1 展示了 SRO 异质结中轨道与自旋霍尔效应的分离策略。作者通过第一性原理计算 SRO 的轨道霍尔电导率（OHC）和自旋霍尔电导率（SHC），发现二者符号相反且 OHC 量级更大（图 1d）。基于 Ru 4d 轨道特征的费米面 k 分辨纹理（图 1e）和 OHC 贡献热点（图 1f）揭示了微观起源。为实验区分 OHE/SHE，作者设计了 SRO/CoPt（强轨道-自旋转换系数η_LS）和 SRO/Py（η_LS可忽略）异质结（图 1a–b）。通过对比二者扭矩，可分离轨道力矩贡献。该设计为后续标度研究提供了关键实验基础。

图2 SRO异质结构中电流诱导自旋和轨道转矩的表征

图 2 展示了 SRO 异质结中电流诱导扭矩的量化方法。作者利用二阶谐波霍尔测量技术（图 2a），通过角度依赖（图 2b，SRO/Py）和磁场依赖（图 2c，SRO/CoPt）分析提取阻尼型有效场H_DL。图 2d 显示 SRO/CoPt 的负号扭矩效率（σ_eff = −2.3×10⁵ h/(2e) Ω⁻¹m⁻¹）显著高于 SRO/Py（σ_eff = 0.29×10⁵ h/(2e) Ω⁻¹m⁻¹），证实 OHE 主导负性轨道力矩。该方法排除了底层金属堆叠干扰，为精确分离 OHE/SHE 贡献提供了可靠手段。

图3 SRO中OHE的非常规标度

图 3 揭示了 OHE 的非常规标度关系。作者通过改变 SRO 沉积氧压（2–10 Pa）和测量温度调控体电导率σ_xx（图 3a）。在 SRO/CoPt 中（轨道力矩主导），σ_eff随σ_xx降低而增大，遵循幂律σ_eff ∝ σ_xx^α（α≈−2.4）；而 SRO/Py（自旋力矩主导）则呈现σ_eff下降的传统行为（图 3b）。通过异质结对比提取的σ_OH（图 3b 插图）在低σ_xx区快速增强（σ_OH ∝ σ_xx^α，α≈−2.5））。室温实验进一步验证此标度（图 3c）：σ_xx降低 21% 时，σ_eff提升 80%，轨道霍尔角σ_eff提升 12%。该现象归因于类 Dyakonov-Perel 轨道弛豫机制下外禀散射对σ_OH的增强作用。

图4 SRO/CoPt异质结构中基于轨道转矩的节能磁化开关

图 4 展示了基于轨道力矩的节能磁化翻转。作者在 SRO/CoPt 异质结中施加电流脉冲实现垂直磁化翻转（图 4a）。当 SRO 电导率通过氧压调控降低 20% 时，临界翻转电流密度J_c少至一半（图 4b–c），且J_c与θ_eff呈反比（图 4d）。理论功耗P∝1/(σ_effθ_eff)与实验功率密度P_D=J_c²ρ_xx高度吻合（图 4e），证明σ_xx适度降低可同步提升σ_eff和θ_eff，最终实现三倍功耗下降。该结果凸显了 OHE 非常规标度对低功耗自旋电子器件的应用价值。

该工作首次实验揭示了 SRO 中轨道霍尔效应的非常规标度关系，证明轨道力矩随σ_xx降低而显著增强。该标度行为与自旋霍尔效应截然不同，直接指向外禀无序散射和类 Dyakonov-Perel 轨道弛豫的主导作用。利用此关系，磁化翻转电流和能耗显著降低。这些发现凸显了外禀散射在轨道霍尔物理中的核心地位，为设计高效轨道电子器件建立了变革性范式。

Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3