非局域电学检测揭示轨道Edelstein效应的互易性及其长程关联特性

研究人员通过非局域测量技术，首次实验验证了轨道Edelstein效应(OEE)的Onsager互易关系，解决了轨道角动量(OAM)与电荷转换机制难以量化的问题。研究发现轨道积累的横向衰减长度达100 nm（室温），且与Cu厚度无关，为轨道电子学器件设计提供了新思路。成果发表于《Nature Communications》。

　　

在自旋电子学蓬勃发展的今天，科学家们发现电子除了自旋角动量(SAM)外，其轨道角动量(OAM)的调控同样蕴含着巨大的应用潜力。轨道Edelstein效应(OEE)和轨道霍尔效应(OHE)能够通过电荷电流诱导非平衡轨道角动量，为利用轻元素高效操控纳米磁体提供了新途径。然而，轨道输运的Onsager互易关系一直未能得到实验验证，且轨道积累的空间分布特性尚不明确。这些核心问题的悬而未决，严重制约了轨道电子学器件的实际应用。

日本理化学研究所(RIKEN)的Weiguang Gao、Liyang Liao等研究人员在《Nature Communications》发表重要成果。他们创新性地采用非局域测量技术，通过Al₂O₃/CuO_x/Cu/铁磁体(FM)多层结构，首次实现了对轨道Edelstein效应互易性的直接观测，并揭示了轨道积累的长程空间关联特性。

研究团队运用三项关键技术：1）非局域输运测量装置（分离轨道产生与检测区域）；2）多铁磁材料对比实验(Co₂₅Fe₇₅/Co₅₀Fe₅₀/Ni₈₁Fe₁₉)验证轨道响应特征；3）变温(50-300 K)及变Cu厚度(30-50 nm)系统研究轨道传输动力学。

结果与发现
轨道积累的非局域测量
通过分离式器件设计，研究人员观察到直接轨道Edelstein效应(DOEE)和逆效应(IOEE)产生的电压信号严格满足2ΔR_DOEE=-2ΔR_IOEE≈0.22 mΩ，首次实验证实Onsager互易关系在轨道输运中成立。

角度依赖性
信号强度随磁场角度Φ呈现cosΦ关系，证实检测到的是x方向极化的轨道角动量，与OEE哈密顿量H_OEE=α_OEE(L×k)·?的理论预测一致。

Cu厚度影响
横向衰减长度λ_o≈100 nm与Cu厚度无关，而垂直衰减长度λ_o^z≈25 nm，表明氧化Cu区域(CuO_x)对维持长程轨道关联起关键作用。

温度效应
轨道信号随温度降低而减弱，与自旋输运行为相反。50K时非局域信号完全消失，表明轨道传输依赖热激活的局域态跃迁机制。

这项研究开创性地解决了轨道电子学领域的两个核心问题：通过非局域测量技术定量验证了轨道-电荷转换的互易性原理，同时揭示了轨道积累在空间中的独特传播规律。发现室温下轨道关联可达100纳米，为设计基于轨道自由度的新型存储器和逻辑器件奠定了理论基础。特别值得注意的是，轨道输运与自旋输运展现完全不同的温度依赖性，这一发现将推动对多自由度量子输运机制的重新认识。研究成果对发展低能耗、高集成度的轨道电子学芯片具有重要指导意义。