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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
軌道霍爾效應是指產生橫向于外電場的電子軌道角動量流。與通常認為軌道角動量在固體中被淬滅的觀點相反，理論研究預測軌道霍爾效應可以很強，并且是許多過渡金屬中自旋霍爾效應的一個基本起源。盡管有越來越多的間接證據，但其直接檢測仍然難以實現。
有鑒于此，韓國成均館大學Gyung-MinChoi等人報道了對輕金屬鈦(Ti)中軌道霍爾效應的磁光觀測。測量了軌道霍爾電流在Ti表面積累的軌道磁矩對Kerr旋轉的影響，結果與理論計算結果半定量一致，并得到了鈦基磁異質結構中軌道轉矩測量結果的支持。這一結果證實了軌道霍爾效應，表明軌道角動量是固體中一個重要的動力學自由度。此外，這需要重新研究軌道對其他自由度的影響，如自旋、谷、聲子和磁振子動力學。
軌道積累測量
利用磁光克爾效應(MOKE)成功地探測了面心立方(fcc)結構的輕金屬鈦(Ti)中OHE誘導的軌道矩。由ohe誘導的軌道矩引起的MOKE信號比由SHE誘導的自旋矩引起的MOKE信號大幾個數量級。此外，MOKE對Ti厚度的依賴也證實了OHE的存在。數量級的差異源于三個關鍵的差異：（1）在SOC可以忽略的輕金屬中，SHE變得可以忽略不計，但OHE可以保持強大；（2）MOKE對軌道積累的選擇性敏感性；（3）軌道(自旋)矩積累不僅與σOH (σSH)成正比，而且與軌道(自旋)弛豫時間τL (τS)成正比。
圖1 Ti的SHE、OHE及其模擬原理圖
OHE vs Oersted場
OHE和Oersted場是θK的兩種可能的來源。作者進一步研究了這些可能性，發現θK遵循Oersted場的分量，還評估Oersted場對
和
的貢獻，將Ti單層的
(
)歸因于Oersted場(OHE)，計算的
與測量的
在數量上一致，證明了MOKE計算的可靠性。為了進一步研究
與OHE之間的關系，測量了θ
和克爾橢圓率?
作為Ti膜厚度tTi = 9-90 nm的函數，證實了OHE是測量到的LMOKE的來源。
圖2 軌道積累測量
Ti/Ni雙分子層的軌道轉矩
最后，為了獲得一個獨立的評價，作者測量了Ti/FM雙層中軌道轉矩作為tTi的函數。利用極性MOKE幾何結構測量了Ti/Ni雙分子層的電流誘導轉矩。
到軌道霍爾電導率σOH的轉換具有挑戰性，需要考慮Ti/Ni界面的軌道透明度。實驗結果證實了輕金屬Ti中的OHE，并暗示了軌道電子學新興領域的機會。
圖3 軌道扭矩的測量
參考文獻：
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
