轨道力矩驱动的二维范德华铁磁体Fe3GaTe2室温磁化翻转研究

研究人员针对二维范德华(vdW)铁磁体磁化高效调控的挑战，通过结合轨道霍尔效应(OHM)材料Ti与强自旋-轨道关联的Fe3GaTe2，首次实现室温下轨道力矩(OT)驱动的磁化翻转，开关电流密度低至1.6×106 A/cm2，为开发低功耗二维自旋轨道器件提供新范式。

　　

在自旋电子学器件追求超高密度、超低功耗的背景下，传统基于自旋转移力矩(STT)和自旋轨道力矩(SOT)的磁存储技术面临瓶颈——前者存在隧道结发热问题，后者依赖强自旋轨道耦合(SOC)材料的高能耗特性。而新兴的轨道电子学(orbitronics)通过轨道霍尔效应(OHE)将电荷流(J_c)先转换为轨道流(J_L)，再通过铁磁层转化为自旋流(J_s)，理论上可突破现有局限。然而，兼具强垂直磁各向异性(PMA)与高效轨道-自旋转换的二维材料体系尚未见报道。

天津工业大学(Tiangong University)联合团队选择具有本征PMA(K_u>3.88×10⁵ J/m³)和超高居里温度(T_c>350 K)的二维vdW铁磁体Fe₃GaTe₂，与轨道霍尔电导率(σ_OHE)达4600(?/e)(S/cm)的轻金属Ti构建异质结，通过自旋力矩铁磁共振(ST-FMR)和谐波霍尔电压测量证实其轨道力矩效率(ξ_OT)达0.28，首次实现室温下1.6×10⁶ A/cm²的低电流密度磁化翻转，相关成果发表于《Nature Communications》。

关键技术包括：1) 机械剥离法制备Fe₃GaTe₂单晶薄膜；2) 磁控溅射沉积Ti/Pt多层结构；3) ST-FMR定量分析轨道力矩效率；4) 脉冲电流诱导磁化翻转实验；5) 第一性原理计算自旋-轨道关联系数(η_L-S)。

轨道扭矩效率

通过Ti/Ni异质结的ST-FMR测量发现，Ti厚度从7 nm增至40 nm时ξ_OT从0.05提升至0.28，证实体OHE主导作用。Fe₃GaTe₂/Ti器件中阻尼型扭矩效率(ξ_DL)达-0.26，远超场型扭矩(ξ_FL≈-0.06)。

轨道力矩驱动的磁化翻转

3GaTe₂/Ti器件在300K下表现出矩形磁滞回线，矫顽力(H_c)随温度降低从19 mT增至40 mT。脉冲电流测试显示，225K时开关电流密度(J_switching)仅4.8×10⁶ A/cm²，且开关比随温度降低而提升。'>

轨道扭矩与自旋轨道扭矩对比

Fe₃GaTe₂/Pt器件需9.2×10⁶ A/cm²电流实现翻转，而Fe₃GaTe₂/Ti仅需2.4×10⁶ A/cm²，证明Ti的OHE效率远超Pt的自旋霍尔效应(SHE)。

自旋-轨道关联理论计算

第一性原理计算显示，Fe₃GaTe₂在费米面附近存在d_xy/d_x2-y2轨道杂化热点，单层η_L-S达0.375，且层数增加时η_L-S^eff保持稳定(0.38±0.01)，揭示其厚度无关的高效轨道-自旋转换能力。

该研究开创性地证明二维vdW铁磁体可通过轨道流实现低功耗磁操控，其"电荷-轨道-自旋"级联转换机制为开发室温二维轨道器件奠定基础。特别是Fe₃GaTe₂独特的层间解耦特性，使得单磁层翻转能耗显著低于传统铁磁体，为未来高密度磁存储器设计提供全新材料平台。