美國能源部阿爾貢先進光源（APS）實驗室研究發現，一種含有重元素銥的氧化材料，受到銥5d層價態上的自旋軌道相互作用的控制，顯示出非同尋常的性質。該研究成果發表在近期《物理評論快報》上。
該研究由阿爾貢APS國家實驗室、肯塔基大學、橡樹嶺國家實驗室以及北伊利諾州立大學聯合開展，在APS的X射線科學分部用4-ID-D光束，對一種名為三氧化鋇銥的多晶體進行了X射線吸收和磁環雙色探測，在銥的5d層價態分析了電子自旋、軌道角動量和自旋軌道耦合。
研究人員本來認為，銥在5d層的電子波會和鄰位有很強的重疊並「綁」在一起，再加上一個來自氧離子的強大晶體場圍繞著銥離子，5d層電子的角動量和自旋軌道相互作用幾乎會「被消滅掉」。這次研究卻發現，5d層電子存在很大的軌道角動量，約是它們自旋角動量的3倍，由此在銥原子中形成很強的自旋軌道耦合。
由於固體性質由其組成原子的外層價電子所決定，如由相鄰原子的電子云重疊而形成的晶體場等強相互作用。但當固體中自旋軌道相互作用力起重要作用時，就會顯示出有趣的性質：如在含有稀土的永磁體材料中，位於4f層的電子引起的磁性，會被材料中相鄰電子5d層和6d層的價效所屏蔽。它們的自旋軌道耦合時，自旋對稱被打破，將4f層的磁性運動固定到特定的晶格方向，由此產生了很強的永磁效果。
研究人員麥可·萬·威內達爾說：「這種新材料的基本狀態不是由強晶體場作用而是由自旋軌道作用和庫侖作用這種較弱的力來最終決定。」
領導該研究的APS物理學家丹尼爾·哈斯克說，研究自旋軌道耦合具有重要意義，這種類原子行為可用於化學摻雜，破壞材料中的磁序。
研究人員稱，與砷化鎵相比，弱絕緣性的三氧化鋇銥自旋軌道相互作用更強，過渡金屬氧化物的自旋軌道特徵可能更加適於自旋控制設備。
作為下一代自旋電子設備，自旋電晶體有著巨大的應用前景。開發自旋電晶體需要找到具有大量電子自旋軌道的新型材料。由於自旋軌道的相互作用是隨著原子數量而迅速增加，含有重元素的材料成為該領域的最佳候選。
在半導體中，自旋軌道耦合可以通過電場調節自旋累積來控制，這是開發自旋電晶體的一個很有前途的方向。比如開發自旋電子設備，基於電子自旋而不是所帶的電荷，能使其功能更加強大、速度更高而且能耗更低。