复旦大学物理学系实验团队应用超快太赫兹发射谱解析亚纳米尺度轨道流扩散动力学

发布时间： 2026-03-06 文章作者：访问次数： 11

导读：

轨道电子学作为新兴研究领域，旨在通过利用电子的轨道角动量实现更高效的信息处理与磁控制，其核心难题之一是明确轨道角动量的传播特性。此前，部分实验报道称金属中轨道角动量的扩散长度可达数十纳米，远超电子自旋的扩散长度；但理论计算却预测其被限制在亚原子层尺度，两者存在显著矛盾。同时，现有探测手段难以有效区分自旋与轨道贡献，严重阻碍了该领域的发展。

近日，复旦大学物理系陶镇生团队与吴义政团队合作，利用太赫兹发射光谱技术，逐点扫描楔形结构的重金属-铁磁异质结，系统研究了重金属-铁磁异质结的太赫兹发射谱随金属层厚度的变化关系。团队重点分析了重金属钨、钽、铂中自旋流和轨道流的传输特性，发现轨道流的扩散长度被限制在亚纳米尺度，且小于自旋扩散长度。该工作成功解决了长期以来关于重金属中轨道和自旋输运长度的理论与实验争议，为轨道电子学的发展提供了关键实验支撑。相关成果以“Evidences of subnanometre orbital diffusion length in heavy metals using terahertz emission spectroscopy”为题，发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊。

图1 实验原理示意图

如图1所示，在飞秒激光激发下，自旋角动量和轨道角动量从铁磁层传播至相邻的重金属层，通过自旋霍尔效应和轨道霍尔效应转换为瞬态横向电荷流，进而向外发射太赫兹电场。在重金属钨（W）中，由于自旋霍尔角与轨道霍尔角方向相反，产生的太赫兹电场偏振相反，使得总的太赫兹发射谱呈现出自旋与轨道相互竞争的特征。如图2所示，团队首先对比了W|Ni和W|Fe异质结的太赫兹发射谱结果：其中W|Fe异质结主要表现为自旋流的特征；而W|Ni异质结的太赫兹发射谱极性随钨层厚度出现反转，这种极性变化暗示了轨道流（极性为正）与自旋流（极性为负）在钨中存在强烈的竞争机制。

图2 (a) W|Ni异质结 (b) W|Fe异质结的太赫兹发射谱对W厚度的依赖关系；(c) W|Ni和W|Fe的太赫兹峰值随厚度的变化。

为进一步验证这一机制，团队建立了唯象传输模型，对W|Ni异质结的实验数据进行拟合。模型假设轨道流和自旋流在薄膜中均遵循相似的扩散规律，但二者存在明显差异：轨道流的平均自由程较短，信号上升沿更快，在钨层较薄处即达到峰值；而自旋流的平均自由程较长，信号上升较慢，在钨层较厚处达到峰值。这两种极性相反的信号在钨层厚度约3纳米附近发生相干相消，此时总的太赫兹信号达到最小值。模型拟合结果显示，钨中轨道流的扩散长度仅为0.36纳米，远小于自旋流的2.2纳米。

图3 (a)W|Ni异质结太赫兹发射谱的强度随厚度的变化，实验和模型对应。 (b)传输模型分离的轨道流，自旋流以及退磁信号的强度。

团队利用模型进一步分离了钽和铂中的轨道流与自旋流成分，结果显示：钽和铂中轨道流的扩散长度分别为0.84纳米和0.94纳米，均处于亚纳米尺度（如图4a和b所示）；同时，模型得出的轨道流和自旋流产生的太赫兹强度，与理论计算的自旋霍尔角、轨道霍尔角结果高度一致（如图4c和d所示），进一步验证了研究结论的可靠性。

图4太赫兹发射谱的峰值随厚度的变化关系（a）Ta|Ni，Ta|Fe异质结（b）Pt|Ni，Pt|Fe异质结。 (c)传输模型分离的轨道流和自旋流在不同重金属中的强度；（d）以及理论计算的轨道霍尔角和自旋霍尔角的大小。

总结来看，该成果不仅明确证实了重金属中轨道输运被限制在亚纳米尺度，成功破解了轨道电子学领域的核心争议，还建立了一套稳健的实验框架，为纳米尺度下区分自旋与轨道动力学提供了新方法。这一突破将为新型轨道电子器件的研发奠定坚实基础，对推动超快、高能效信息处理技术的发展具有重要意义。未来，团队将进一步深入探索轨道-自旋相互转化机制，完善轨道输运的微观理论，为轨道电子学的后续发展提供更多支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02125-0

复旦大学物理学系博士生官彤阳、刘佳豪为论文共同第一作者；复旦大学物理学系教授陶镇生、吴义政为论文通讯作者。合作者还包括复旦大学物理学系博士生覃文涛、崔永伟、王顺甲。本工作获得了科技部重点研发专项（编号：2021YFA1400200, 2024FYA1408500, 2022YFA1404700 and 2022YFA1403300）、国家自然科学基金（编号：12221004, 12450407, 12274091, 12434003, and 12274083）和上海市科委项目（编号：22JC1400200）等基金项目支持。