Laser afslører skjult magnetisme i hverdagsmetaller

Verdens teknologi udvikler sig hurtigt, med forskere der gør opdagelser hver dag. Netop i sidste uge offentliggjorde videnskabsfolk deres arbejde, som knækkede et gammelt fysikmysterium.

Udført af forskere fra Det Hebraiske Universitet i samarbejde med Pennsylvania State University og University of Manchester, opdagede studiet subtile magnetiske signaler i metaller, der normalt ikke er magnetiske, ved kun at bruge lys og en modificeret lasermetode.

Disse svage magnetiske effekter, som mere ligner “hvisken”, i ikke-magnetiske materialer har tidligere været umulige at opdage af åbenbare grunde; de var simpelthen for små. Men nu er det ændret. Disse effekter er målbare, afslører nye mønstre i elektronernes adfærd, som var skjult indtil dette studie.

Med denne opdagelse har videnskabsfolk fuldstændigt transformeret hvordan vi undersøger magnetisme i hverdagsmaterialer, uden ledninger eller store instrumenter. Dette kunne endda åbne veje til hukommelseslagring, kvantecomputing og mindre, hurtigere og mere avanceret elektronik.

Afsløring af den subtile magnetiske respons i ‘stille’ metaller

Udgivet i tidsskriftet Nature Communications¹, beskriver studiet en ny måde at identificere små magnetiske signaler i metaller som guld (Au), kobber (Cu), aluminium (Al), tantal (Ta) og platin (Pt).

Sagen er, at vi længe har vidst, at elektriske strømme bøjer i et magnetisk felt, hvilket er Hall‑effekten. Denne effekt er særligt stærk og velkendt i magnetiske materialer som jern, men når det gælder almindelige, ikke‑magnetiske metaller som guld, er effekten ret svag.

Den optiske Hall‑effekt (OHE), et beslægtet fænomen, bør hjælpe med at visualisere elektronernes adfærd, når lys og magnetiske felter interagerer.

Men det er kun i teorien, da OHE‑effekten ved synlige bølgelængder er alt for subtil til, at forskere kan opdage den. Så selvom vi ved, at effekten er der, mangler vi værktøjerne til faktisk at måle den.

“Det var som at prøve at høre en hvisken i et støjende rum i årtier. Alle vidste, at hvisken var der, men vi havde ikke en mikrofon følsom nok til at høre den.”

– Professor Amir Capua fra Institut for Elektroteknik og Anvendt Fysik ved Det Hebraiske Universitet

Som Prof. Capua forklarede, anses disse metaller, som kobber og guld, for at være “magnetisk ‘stille’”. For eksempel klæber disse materialer, guld og kobber, ikke fast på køleskabet som jern gør. “Men i virkeligheden reagerer de under de rette betingelser på magnetiske felter – blot på ekstremt subtile måder,” tilføjede han. Og det har altid været en udfordring at observere disse svage effekter.

Så gik forskerne i samarbejde med andre universiteter videre med at undersøge præcis, hvordan man kan opdage disse virkelig små magnetiske effekter i materialer, der ikke er magnetiske.

Til dette vendte de sig mod en teknik kaldet magneto‑optisk Kerr‑effekt (MOKE) og opgraderede den. Under MOKE‑metoden bruges en laser til at måle, hvordan magnetisme påvirker lysets retning.

Studiet bemærker, at fordi den anomale Hall‑effekt (AHE), der observeres i ferromagneter (materialer som jern, nikkel eller kobolt med langtrækkende, parallel justering af atomære momenter, der resulterer i spontan netto‑magnetisering), er meget stærkere end den almindelige Hall‑effekt (OHE), er den optiske Hall‑effekt meget svagere end den magneto‑optiske Kerr‑effekt (MOKE). Den er så svag, at den næsten ikke kan detekteres i synligt lys.

Derfor ændrede de MOKE‑teknikken. Forskerne præsenterede MOKE‑teknikken, som er baseret på en stor‑amplitudemodulation af det eksternt påførte magnetfelt. Til dette brugte de permanente magneter placeret på en roterende skive.

Forskerne kombinerede dette med en 440 nm blå laser, hvilket gjorde det muligt for dem at øge teknikkens følsomhed betydeligt. Som et resultat var de i stand til at opdage de magnetiske “ekkoer” i ikke‑magnetiske metaller, som tidligere næsten var umulige at opnå. Studiet bemærkede:

“Den overlegne følsomhed af teknikken baner vejen for opdagelsen af nye fænomener og anvendelser såsom en optisk bestemmelse af spin‑orbital interaktionen.”

Optisk ekko afslører skjulte magnetiske signaler i metaller

Hall‑målinger er en nøglemetode inden for materialeforskning og faststoffysik. Hall‑effekten gør det muligt for os at studere materialer på atomart niveau og finde ud af præcis hvor mange elektroner der er i et metal. Den er afgørende for at bygge bro mellem grundforskning og praktiske anvendelser.

Dog er måling af effekten traditionelt en vanskelig og tidskrævende proces, især når man arbejder med komponenter, der er virkelig små, på nanometerskalaen. Til dette har videnskabsfolk tidligere skulle fastgøre ledninger til enheden, men ikke længere.

Den nye tilgang er meget enkel; den kræver kun en laser, der skal skinner på den elektriske enhed.

Som Prof. Capua bemærkede, selv Edwin Hall, der opdagede Hall‑effekten, havde ingen succes, da han forsøgte at måle effekten ved hjælp af en lysstråle. Som Hall opsummerede i afslutningssætningen af hans papir i 1881:

“Jeg tror, at hvis sølvets handling havde været en tiendedel så stærk som jernets, ville effekten være blevet opdaget. En sådan effekt blev ikke observeret.”

Men i den seneste forskning har videnskabsfolk faktisk observeret effekten “ved at indstille den rette frekvens – og vide, hvor de skal lede,” sagde Prof. Capua.

Med det har holdet “fundet en måde at måle det, der engang blev anset for usynligt,” tilføjede Prof. Capua, “Denne forskning gør et næsten 150 år gammelt videnskabeligt problem til en ny mulighed.”

At grave endnu dybere hjalp holdet med at finde ud af, at det, der syntes at være tilfældig ‘støj’ i deres signal, overhovedet ikke var så tilfældig, men havde en klar betydning og mønster.

Det mønster, der fulgte, var relateret til spin‑orbital kobling (SOC). Denne kvanteegenskab forbinder, hvordan elektroner bevæger sig, med hvordan de spinner, hvilket påvirker den måde, magnetisk energi dissiperes i materialer på.

De nye indsigter har direkte og betydelige implikationer for design af spintronic‑enheder, magnetisk hukommelse og kvantesystemer.

“Det er som at opdage, at støj på en radio ikke kun er interferens – det er nogen, der hvisker værdifuld information. Vi bruger nu lys til at ‘lytte’ til disse skjulte beskeder fra elektroner.”

– Ph.D.-kandidat Nadav Am Shalom fra Det Hebraiske Universitet

Den nye teknik tilbyder faktisk et ikke‑invasivt, meget følsomt værktøj til at udforske magnetisme i metaller, uden at kræve massive magneter eller kryogene forhold.

Den enkelhed og præcision, som teknikken har, kan også hjælpe ingeniører med at bygge mere energieffektive systemer, hurtigere processorer og sensorer med høj nøjagtighed.

Men dette er kun begyndelsen, med studiet, der taler om at udvide spektret af materialer i fremtidigt arbejde. Dette inkluderer yderligere metaller, flerlagede film, halvledere samt topologiske og 2D-materialer.

Desuden er en “temperaturafhængig måling af særlig interesse, da den kan give vigtig indsigt i støjmekanismerne og danne grundlag for en dybere forståelse af deres oprindelse,” udtalte studiet.

Klik her for at lære, hvordan lasere kan gøre ikke-magnetiske materialer magnetiske.

Udvidelse af Hall‑effekten med nye muligheder

I løbet af det sidste år har forskere fortsat med at undersøge Hall‑effekt‑teknikker og skubbet grænserne for, hvad der er muligt. På baggrund af klassiske elektriske Hall‑målinger afdækker videnskabsfolk nye regime, hvilket signalerer et transformerende skift.

Dette inkluderer opdagelsen af betydelige ikke‑lineære Hall‑effekter (NLHE) ved stuetemperatur i tellur (Te). Effekten er en andenordens respons på en påført vekselstrøm (AC), der genererer andenharmoniske signaler uden behov for et eksternt magnetisk felt.

NLHE, et nyt medlem af Hall‑effekt‑familien, har fået meget opmærksomhed på grund af dens mulige anvendelse i frekvensdoblings- og retificeringsenheder. Udfordringer som lave driftstemperaturer og lave Hall‑spændingsudgange har dog begrænset dens praktiske anvendelser.

Så søgte et forskerteam fra University of Science and Technology of China (USTC) ved den Kinesiske Akademi for Videnskab (CAS) efter systemer, der viser bemærkelsesværdig NLHE i halvledermaterialer. De undersøgte derefter den ikke‑lineære respons af tellur, et skrøbeligt og sjældent element, der har en endimensionel helikal kæde. Dens struktur mangler iboende inversionssymmetri, hvilket gør Te til den perfekte kandidat.

Da de testede tynde flager af tellur (Te), opdagede de betydelige ikke‑lineære Hall‑effekter ved stuetemperatur. Ved en temperatur på 300 K kan den maksimale andenharmoniske udgang være en størrelsesorden højere end tidligere rekorder, op til 2,8 mV.

Ved en dybere undersøgelse blev den observerede NLHE i de tynde flager af tellur fundet at være hovedsageligt resultatet af ekstrinsisk spredning. Her spillede bruddet på strukturets overfladesymmetri en afgørende rolle.

Baseret på dette blev AC‑strømmen erstattet af radiofrekvens (RF)-signaler, der muliggør trådløs RF‑retificering i tynde Te‑flager og opnåede stabil retificeret spændingsudgang over et område fra 0,3 til 4,5 GHz. På denne måde åbner studiet nye muligheder for udviklingen af avancerede elektroniske enheder.

For nylig fokuserede forskere fra University of New South Wales på bulk‑tilstandene af topologiske isolatorer, Bi2Se3 og Sb2Te3, og fandt, at den orbitale Hall‑torque dominerer spin Hall‑torque for en effektiv konvertering af ladningsstrøm til spinstrøm.

Bulk‑tilstandene giver anledning til en betydelig OHE, op til 3 størrelsesordener større end SHE, i topologiske isolatorer, delvis på grund af den orbitale vinkelmoment for hver ledningselektron, som er større end dens spin.

Det bemærkedes også, at optimering af den orbitale‑til‑spin‑konvertering i TI (topologiske isolatorer) spin‑torque‑enheder er nøglen til at opnå mere effektiv kontrol over magnetisering, men dette vil kræve avancerede teknikker og specifikke ferromagneter.

I mellemtiden viste forskere fra Johannes Gutenberg Universitet en effektiv udnyttelse af den forbedrede orbitale Hall‑ledningsevne i Cr-, Nb- og Ru-lag sammen med et perpendikulært magnetiseret ferromagnetisk lag til Spin‑Orbit Torque (SOT) Magnetisk Random‑Access Memory (MRAM)-enheder.

SOT‑MRAM-enheder lover bedre ydeevne, ikke‑flygtighed og energieffektivitet sammenlignet med statisk RAM. For at opnå lang datalagring og effektiv magnetiseringsskift i disse enheder har vi brug for ferromagneter med perpendicular magnetisk anisotropi (PMA) kombineret med store torques, øget af Orbital Hall Effect (OHE).

Så designede holdet en PMA (Co/Ni)3 FM på udvalgte OHE-lag og undersøgte potentialet for orbital Hall‑ledningsevne (OHC).

Resultaterne viser en 30 % forbedring i torque‑effektivitet og en 60 % reduktion i skifte‑effekt, hvilket fremhæver det “lovende potentiale ved at udnytte den forbedrede orbitale Hall‑effekt til at drive ydeevnen af næste generation af SOT‑MRAM-enheder til høj‑tæthed cache‑hukommelsesapplikationer.”

Investering i spintronic‑teknologi

Everspin Technologies (MRAM ) aktivt bruger elektronspin i stedet for ladning til at gemme data. Det er en førende udvikler af magnetoresistiv tilfældig adgangshukommelse (MRAM) løsninger, en type ikke‑flygtig RAM, der gemmer data i magnetiske domæner.

MRAM bruger en elektronspins magnetisme til at give ikke‑flygtighed og gemmer information i magnetisk materiale integreret med siliciumkredsløb for at levere Flash‑ikke‑flygtighed og SRAM‑hastighed i én enhed.

Dens MRAM‑teknologiprodukter inkluderer Toggle MRAM, som leverer en simpel, høj‑tæthedshukommelse med Everspin ved hjælp af et patenteret Toggle‑celledesign for at tilbyde høj pålidelighed. Dens andet produkt er Spin‑transfer Torque MRAM (STT‑MRAM), som bruger manipulation af elektronspins med en polariserende strøm til at etablere den ønskede magnetiske tilstand af MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Med en markedsværdi på 150 millioner dollars handles MRAM-aktierne i øjeblikket til 6,68 $, op 4,54 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -0,01, og P/E (TTM) er -451,35.

For det første kvartal, der sluttede den 31. marts 2025, rapporterede virksomheden en samlet omsætning på 13,1 millioner dollars. Dens MRAM‑produktsalg, inklusive både Toggle‑ og STT‑MRAM‑indtægter, udgjorde derimod 11 millioner dollars. Indtægter fra licenser, royalties, patenter og andre var 2,1 millioner dollars.

I denne periode var bruttoavancen 51,4 %, GAAP‑driftsomkostningerne var 8,7 millioner dollars, GAAP‑netto­tab var 1,2 millioner dollars eller $(0,05) pr. udvandet aktie, og non‑GAAP‑nettoindkomst var 0,4 millioner dollars eller $0,02 pr. udvandet aktie.

Kontanter og likvide midler ved kvartalets slutning steg til 42,2 millioner dollars.

I år sikrede Everspin også en kontrakt fra Purdue University om at anvende deres MRAM som grundlag i et program kaldet CHEETA (CMOS+MRAM‑hardware til energieffektiv AI). Dens PERSYST MRAM blev derimod valideret til konfiguration på tværs af alle Lattice Semiconductor (LSCC ) FPGAs.

Tidligere i år annoncerede virksomheden to nye produkter som en del af sin Orion xSPI‑familie, der har et biltemperaturområde for vedvarende, høj‑hastighedshukommelseskrav i ekstreme miljøer.

“Vi forventer, at vores eksisterende og nye kunder vil implementere Everspins robuste MRAM‑produkter og -teknologi i sådanne missionskritiske anvendelser gennem design‑gevinster og strategiske strålingshårde programmer for hukommelses‑ og FPGA‑applikationer.”

– Aggarwal

Seneste Everspin Technologies (MRAM) aktienyheder og udviklinger

Konklusion

Med hver ny undersøgelse afslører forskere, hvad videnskabsfolk ikke kunne i årevis. Den seneste gør netop dette ved at omdanne de svage optiske signaler til en klar magnetisk tilstedeværelse, og skaber en ny måde til ikke‑invasiv elektron‑spin‑undersøgelse. Desuden har de vist, at det, der engang så ud som støj, faktisk indeholder rig spin‑orbital information, og at dette potentielt kan transformere spintronic‑design, magnetisk hukommelse og kvanteteknologier, hvilket fører til mere energieffektive enheder og forbedret datalagringskapacitet.

Klik her for at lære, hvordan Ni₄W‑hukommelsesgennembruddet vil muliggøre magnetfri switching.

Referencer:

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Illg, C.; Földes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfrey, A.; Bromley, S. T.; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, D. R.; Stiles, M. D.; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. En følsom MOKE og optisk Hall‑effekt‑teknik ved synlige bølgelængder: Indsigt i Gilbert‑dæmpning. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Publiceret online 17. juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
2. Cheng, B.; Gao, Y.; Zheng, Z.; Wang, K.; Liu, X.; Li, Z.; Wang, G.; Liu, Y.; Huang, J.; Lai, J.; Xu, C.; Zhang, Y.; Zhao, Y.; Wang, J.; Lin, X.; Xu, X.; Lu, H.; Xu, Y. Kæmpe ikke‑lineær Hall‑ og trådløs retifikations‑effekter ved stuetemperatur i det elementære halvleder‑tellur. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publiceret online 29. juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Kæmpe orbital Hall‑effekt på grund af bulk‑tilstande i 3D topologiske isolatorer. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publiceret online 3. juni 2025. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Shin, H.; Tang, P.; Shukla, N.; Kundu, A.; Sinn, S.; Finizio, S.; Heidler, J.; López-Díaz, L.; Kläui, M.; Jakob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, M. B.; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, S. S. P. Udnyttelse af orbital Hall‑effekt i Spin‑Orbit Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publiceret online 2. januar 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x