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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
轨道霍尔效应是指产生横向于外电场的电子轨道角动量流。与通常认为轨道角动量在固体中被淬灭的观点相反，理论研究预测轨道霍尔效应可以很强，并且是许多过渡金属中自旋霍尔效应的一个基本起源。尽管有越来越多的间接证据，但其直接检测仍然难以实现。
有鉴于此，韩国成均馆大学Gyung-MinChoi等人报道了对轻金属钛(Ti)中轨道霍尔效应的磁光观测。测量了轨道霍尔电流在Ti表面积累的轨道磁矩对Kerr旋转的影响，结果与理论计算结果半定量一致，并得到了钛基磁异质结构中轨道转矩测量结果的支持。这一结果证实了轨道霍尔效应，表明轨道角动量是固体中一个重要的动力学自由度。此外，这需要重新研究轨道对其他自由度的影响，如自旋、谷、声子和磁振子动力学。
轨道积累测量
利用磁光克尔效应(MOKE)成功地探测了面心立方(fcc)结构的轻金属钛(Ti)中OHE诱导的轨道矩。由ohe诱导的轨道矩引起的MOKE信号比由SHE诱导的自旋矩引起的MOKE信号大几个数量级。此外，MOKE对Ti厚度的依赖也证实了OHE的存在。数量级的差异源于三个关键的差异：（1）在SOC可以忽略的轻金属中，SHE变得可以忽略不计，但OHE可以保持强大；（2）MOKE对轨道积累的选择性敏感性；（3）轨道(自旋)矩积累不仅与σOH (σSH)成正比，而且与轨道(自旋)弛豫时间τL (τS)成正比。
图1 Ti的SHE、OHE及其模拟原理图
OHE vs Oersted场
OHE和Oersted场是θK的两种可能的来源。作者进一步研究了这些可能性，发现θK遵循Oersted场的分量，还评估Oersted场对
和
的贡献，将Ti单层的
(
)归因于Oersted场(OHE)，计算的
与测量的
在数量上一致，证明了MOKE计算的可靠性。为了进一步研究
与OHE之间的关系，测量了θ
和克尔椭圆率
作为Ti膜厚度tTi = 9-90 nm的函数，证实了OHE是测量到的LMOKE的来源。
图2 轨道积累测量
Ti/Ni双分子层的轨道转矩
最后，为了获得一个独立的评价，作者测量了Ti/FM双层中轨道转矩作为tTi的函数。利用极性MOKE几何结构测量了Ti/Ni双分子层的电流诱导转矩。
到轨道霍尔电导率σOH的转换具有挑战性，需要考虑Ti/Ni界面的轨道透明度。实验结果证实了轻金属Ti中的OHE，并暗示了轨道电子学新兴领域的机会。
图3 轨道扭矩的测量
参考文献：
Choi, YG., Jo, D., Ko, KH. et al. Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti. Nature 619, 52–56 (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-06101-9
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06101-9
