Computing
Laser enthüllt verborgenen Magnetismus in alltäglichen Metallen
Die Welt der Technologie entwickelt sich rasant, wobei Forscher jeden Tag Entdeckungen machen. Erst letzte Woche veröffentlichten Wissenschaftler ihre Arbeit, die ein altes physikalisches Rätsel löste.
Durchgeführt von Forschern der Hebräischen Universität in Zusammenarbeit mit der Pennsylvania State University und der Universität Manchester, hat die Studie subtile magnetische Signale in Metallen nachgewiesen, die normalerweise nicht magnetisch sind, und das nur Licht und einer modifizierten Lasermethode.
Diese schwachen magnetischen Effekte, die eher wie „Flüstern“ sind, in nichtmagnetischen Materialien waren aus offensichtlichen Gründen zuvor nicht nachweisbar; sie waren einfach zu klein. Aber jetzt hat sich das geändert. Diese Effekte sind messbar, enthüllen neue Muster des Elektronenverhaltens, die waren verborgen bis zu dieser Studie.
Mit dieser Entdeckung haben Wissenschaftler die Art und Weise, wie wir Magnetismus in Alltagsmaterialien untersuchen, ohne Drähte oder sperrige Instrumente. Dies könnte sogar Wege zu Speichertechnologien, Quantencomputing und kleineren, schnelleren und fortschrittlicheren Elektronik eröffnen.
Entschlüsselung der subtilen magnetischen Reaktion in ‚ruhigen‘ Metallen
Veröffentlicht im Journal Nature Communications1, beschreibt die Studie eine neue Methode, winzige magnetische Signale in Metallen wie Gold (Au), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Tantal (Ta) und Platin (Pt).
Die Sache ist, wir wissen seit langem, dass elektrische Ströme in einem Magnetfeld abgelenkt werden, was der Hall-Effekt ist. Dieser Effekt ist besonders stark und bekannt in magnetischen Materialien wie Eisen, aber bei üblichen, nichtmagnetischen Metallen wie Gold ist der Effekt eher schwach.
Der optische Hall-Effekt (OHE), ein verwandtes Phänomen, sollte helfen, das Verhalten von Elektronen zu visualisieren, wenn Licht und Magnetfelder interagieren.
Aber das ist nur theoretisch, denn bei sichtbaren Wellenlängen ist der OHE-Effekt für Wissenschaftler viel zu subtil, um ihn zu erkennen. Also, während wir wissen, dass der Effekt existiert, fehlen uns die Werkzeuge um ihn tatsächlich zu messen.
„Es war, als würde man jahrzehntelang versuchen, ein Flüstern in einem lauten Raum zu hören. Jeder wusste, dass das Flüstern da war, aber wir hatten kein Mikrofon, das empfindlich genug war, um es zu hören.“
– Professor Amir Capua vom Institut für Elektrotechnik und Angewandte Physik an der Hebräischen Universität
Wie Prof. Capua erklärte, gelten diese Metalle, wie Kupfer und Gold, als „magnetisch ‚ruhig‘“. Zum Beispiel haften diese Materialien, Gold und Kupfer, nicht am Kühlschrank wie Eisen. „Aber in Wirklichkeit reagieren sie unter den richtigen Bedingungen auf Magnetfelder – nur in extrem subtilen Weisen“, fügte er hinzu. Und es war immer eine Herausforderung, diese schwachen Effekte zu beobachten.
Also, in Zusammenarbeit mit anderen Universitäten untersuchten die Forscher, wie man diese wirklich kleinen magnetischen Effekte in nichtmagnetischen Materialien nachweisen kann.
Dafür wandten sie eine Technik namens magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) an und verbesserten sie. Beim MOKE-Verfahren wird ein Laser verwendet um zu messen, wie Magnetismus die Richtung des Lichts beeinflusst.
Die Studie stellt fest, dass der in Ferromagneten beobachtete anomale Hall-Effekt (AHE) (Materialien wie Eisen, Nickel oder Kobalt mit langreichweitiger, paralleler Ausrichtung atomarer Momente, die zu einer spontanen Gesammagnetisierung führen) viel stärker ist als der gewöhnliche Hall-Effekt (OHE), sodass der optische Hall-Effekt viel schwächer ist als der magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE). Er ist so schwach, dass er im sichtbaren Licht kaum nachweisbar ist.
Daher der Grund, die MOKE-Technik zu verändern. Die Forscher stellten die MOKE-Technik vor, die auf der großamplitudigen Modulation des extern angelegten Magnetfeldes basiert. Dafür nutzten sie Permanentmagneten, die auf einer rotierenden Scheibe angebracht waren.
Die Forscher kombinierten dies mit einem 440 nm blauen Laser, der es ihnen ermöglichte, die Empfindlichkeit der Technik deutlich zu steigern. Infolgedessen konnten sie die magnetischen „Echos“ in nichtmagnetischen Metallen nachweisen, die zuvor kaum zu erreichen waren. Die Studie stellte fest:
„Die überlegene Empfindlichkeit der Technik ebnet den Weg zur Entdeckung neuer Phänomene und Anwendungen, wie etwa einer optischen Bestimmung der Spin‑Orbit‑Wechselwirkung.“
Optisches Echo enthüllt verborgene magnetische Signale in Metallen
Hall-Messungen sind eine Schlüsseltechnik in der Materialforschung und Festkörperphysik. Der Hall-Effekt ermöglicht es uns, Materialien auf atomarer Ebene zu untersuchen und herauszufinden, wie viele Elektronen vorhanden sind in einem Metall. Er ist entscheidend, um die Lücke zwischen Grundlagenforschung und praktischen Anwendungen zu schließen.
Allerdings ist die Messung des Effekts traditionell ein schwieriger und zeitaufwändiger Prozess, besonders wenn man mit Komponenten arbeitet, die wirklich klein sind, im Nanometerbereich. Dafür mussten Wissenschaftler zunächst Drähte an das Gerät anschließen, aber das ist jetzt nicht mehr nötig.
Der neue Ansatz ist sehr einfach; er benötigt lediglich einen Laser, der auf das elektrische Bauteil gerichtet wird.
Wie Prof. Capua bemerkte, hatte sogar Edwin Hall, der den Hall-Effekt entdeckte, keinen Erfolg, als er versuchte, den Effekt mit einem Lichtstrahl zu messen. Wie Hall in dem abschließenden Satz seiner Arbeit von 1881 zusammenfasste:
„Ich denke, wenn die Wirkung von Silber ein Zehntel so stark gewesen wäre wie die von Eisen, wäre der Effekt nachweisbar gewesen. Ein solcher Effekt wurde nicht beobachtet.“
Aber in der neuesten Forschung haben die Wissenschaftler den Effekt tatsächlich beobachtet, „indem sie die richtige Frequenz abstimmten – und wussten, wo sie suchen müssen“, sagte Prof. Capua.
Damit hat das Team „einen Weg gefunden, das zu messen, was einst als unsichtbar galt“, fügte Prof. Capua hinzu, „Diese Forschung verwandelt ein fast 150 Jahre altes wissenschaftliches Problem in eine neue Chance.“
Ein noch tieferer Blick half dem Team zu erkennen, dass das, was wie ein zufälliges „Rauschen“ in ihrem Signal erschien, doch nicht so zufällig war, sondern eine klare Bedeutung und ein Muster hatte.
Das gefundene Muster stand im Zusammenhang mit der Spin‑Orbit‑Kopplung (SOC). Diese quantenmechanische Eigenschaft verbindet, wie sich Elektronen bewegen, mit ihrer Drehung, was die Art beeinflusst, wie magnetische Energie in Materialien dissipiert wird.
Die gewonnenen neuen Erkenntnisse haben direkte und bedeutende Auswirkungen auf die Entwicklung von spintronic‑Geräten, magnetischem Speicher und Quantensystemen.
„Es ist, als würde man entdecken, dass das Rauschen im Radio nicht nur Störung ist – es ist jemand, der wertvolle Informationen flüstert. Wir nutzen jetzt Licht, um diesen verborgenen Botschaften der Elektronen zuzuhören.“
– Ph.D.-Kandidat Nadav Am Shalom von der Hebräischen Universität
Die neuartige Technik bietet tatsächlich ein nicht‑invasives, hochsensibles Werkzeug zur Erforschung von Magnetismus in Metallen, ohne massive Magneten oder kryogene Bedingungen zu benötigen.
Die Einfachheit und Präzision der Technik könnte Ingenieuren auch helfen, energieeffizientere Systeme, schnellere Prozessoren und Sensoren mit hoher Genauigkeit zu bauen.
Aber das ist alles nur der Anfang, wobei die Studie darüber spricht, das Materialspektrum in zukünftigen Arbeiten zu erweitern. Dies umfasst zusätzliche Metalle, mehrschichtige Filme, Halbleiter sowie topologische und 2‑D‑Materialien.
Außerdem ist eine „temperaturabhängige Messung von besonderem Interesse, da sie wichtige Einblicke in die Rauschmechanismen bieten und ein tieferes Verständnis ihrer Herkunft ermöglichen könnte“, erklärte die Studie.
Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Laser nichtmagnetische Materialien magnetisch machen können.
Erweiterung des Hall-Effekts mit neuen Möglichkeiten
Im vergangenen Jahr haben Forscher die Hall-Effekt-Techniken weiter untersucht und die Grenzen des Möglichen erweitert. Aufbauend auf klassischen elektrischen Hall-Messungen entdecken Wissenschaftler neue Regime, was auf einen transformativen Wandel hinweist.
Dies beinhaltet die Entdeckung2 signifikanter nichtlinearer Hall-Effekte (NLHE) bei Raumtemperatur in Tellur (Te). Der Effekt ist eine zweite Ordnung Reaktion auf einen angelegten Wechselstrom (AC), der zweite Harmonische Signale erzeugt, ohne ein externes Magnetfeld.
NLHE, ein neues Mitglied der Hall-Effekt-Familie, hat viel Aufmerksamkeit erhalten, weil es in Frequenzverdopplungs- und Gleichrichtergeräten eingesetzt werden kann. Herausforderungen wie niedrige Arbeitstemperaturen und geringe Hall-Spannungs‑Ausgänge haben jedoch seine praktischen Anwendungen eingeschränkt.
So suchte ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) nach Systemen, die bemerkenswerte NLHE in Halbleitermaterialien zeigen. Sie untersuchten dann die nichtlineare Reaktion von Tellur, einem spröden und seltenen Element, das eine eindimensionale helikale Kette besitzt. Seine Struktur fehlt von Natur aus die Inversionssymmetrie, was Te zum perfekten Kandidaten macht.
Als sie dünne Schichten von Tellur (Te) testeten, entdeckten sie beträchtliche nichtlineare Hall‑Effekte bei Raumtemperatur. Bei einer Temperatur von 300 K kann die maximale Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen um eine Größenordnung höher sein als frühere Aufzeichnungen, bis zu 2,8 mV.
Bei einer tieferen Untersuchung wurde festgestellt, dass das in den dünnen Tellur‑Schichten beobachtete NLHE hauptsächlich das Ergebnis von extrinsischem Streuen ist. Hier spielte das Brechen der Oberflächensymmetrie der Struktur eine entscheidende Rolle.
Auf dieser Grundlage wurde der Wechselstrom (AC) durch Hochfrequenz‑ (RF‑) Signale ersetzt, die eine drahtlose RF‑Gleichrichtung in dünnen Te‑Schichten ermöglichten und stabile gleichgerichtete Spannungswerte im Bereich von 0,3 bis 4,5 GHz erzeugten. Auf diese Weise eröffnet die Studie neue Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer Geräte.
Kürzlich konzentrierten sich Forscher der University of New South Wales auf die Bulk‑Zustände topologischer Isolatoren, Bi2Se3 und Sb2Te3, und stellten fest3 dass das orbital Hall‑Drehmoment das Spin‑Hall‑Drehmoment bei einer effizienten Umwandlung von Ladungsstrom zu Spinstrom dominiert.
Die Bulk‑Zustände erzeugen ein beträchtliches OHE, bis zu drei Größenordnungen größer als das SHE, in topologischen Isolatoren, zum Teil wegen des orbitalen Drehimpulses jedes Leitungselektrons, der größer ist als sein Spin.
Es wurde außerdem festgestellt, dass die Optimierung der Umwandlung von orbital zu Spin in TI‑Spin‑Torque‑Geräten entscheidend für eine effizientere Kontrolle der Magnetisierung ist, jedoch dies fortschrittliche Techniken und spezifische Ferromagnete erfordern.
Unterdessen zeigten Forscher der Johannes Gutenberg‑Universität eine effiziente Nutzung4 einer effizienten Nutzung der verbesserten orbitalen Hall‑Leitfähigkeit von Cr, Nb, und Ru‑Schichten zusammen mit einer senkrecht magnetisierten ferromagnetischen Schicht für Spin‑Orbit‑Torque (SOT) Magnet‑Random‑Access‑Memory (MRAM)-Geräte.
SOT‑MRAM‑Geräte versprechen bessere Leistung, Nichtflüchtigkeit und Energieeffizienz im Vergleich zu statischem RAM. Um lange Datenretention und effizientes Magnetisierungs‑Switching in diesen Geräten zu erreichen, benötigen wir Ferromagnete mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA), kombiniert mit großen, durch den Orbital‑Hall‑Effekt (OHE) erhöhten Drehmomenten.
Daher entwickelte das Team ein PMA (Co/Ni)3 FM auf ausgewählten OHE‑Schichten und untersuchte das Potenzial der orbitalen Hall‑Leitfähigkeit (OHC).
Die Ergebnisse zeigen eine 30 %ige Verbesserung der Drehmoment‑Effizienz und eine 60 %ige Reduktion der Schaltleistung, was das „vielversprechende Potenzial der Nutzung des verbesserten orbitalen Hall‑Effekts zur Steigerung der Leistung der nächsten Generation von SOT‑MRAM‑Geräten für hochdichte Cache‑Speicheranwendungen“ hervorhebt.
| Hall‑Effekt‑Typ | Erforderliches Magnetfeld | Signalstärke | Anwendbare Materialien | Übliche Anwendungsfälle |
|---|---|---|---|---|
| Gewöhnlicher Hall‑Effekt | Ja | Schwach | Alle Leiter | Grundlegende Ladungsträgerdichte‑Messungen |
| Anomaler Hall‑Effekt | Ja | Stark | Ferromagnete (Fe, Ni, Co) | Spintronic‑Forschung |
| Optischer Hall‑Effekt (OHE) | Ja | Sehr schwach | Alle, aber schwer im sichtbaren Licht nachzuweisen | Untersuchung von Spin‑Orbit‑Wechselwirkungen |
| Nichtlinearer Hall‑Effekt | Nein (AC‑gesteuert) | Mäßig | Nicht‑zentrosymmetrische Halbleiter | Drahtlose Gleichrichter, Frequenzverdoppler |
| Orbitaler Hall‑Effekt | Nein | Stark in einigen Materialien | Topologische Isolatoren, Übergangsmetalle | Spin‑Torque‑Speicher, MRAM |
Investition in Spintronik‑Technologie
Everspin Technologies (MRAM ) nutzt aktiv den Elektronenspin anstelle von Ladung zur Datenspeicherung. Es ist ein führender Entwickler von magnetoresistiven Random‑Access‑Memory (MRAM)-Lösungen, einer Art nichtflüchtigem RAM, das Daten in magnetischen Domänen speichert.
MRAM nutzt die Magnetisierung des Elektronenspins, um Nichtflüchtigkeit zu bieten und speichert Informationen in magnetischem Material, das in Silizium‑Schaltungen integriert ist, um die Nichtflüchtigkeit von Flash und die Geschwindigkeit von SRAM in einem Gerät.
Zu seinen MRAM‑Technologieprodukten gehört Toggle‑MRAM, das einen einfachen, hochdichten Speicher mit Everspin nutzt, ein patentiertes Toggle‑Zelldesign, um hohe Zuverlässigkeit zu bieten. Ein weiteres Produkt ist Spin‑Transfer‑Torque‑MRAM (STT‑MRAM), das die Manipulation des Elektronenspins mit einem polarisierenden Strom verwendet, um den gewünschten magnetischen Zustand des MTJ zu etablieren.
Everspin Technologies (MRAM )
Mit einer Marktkapitalisierung von 150 Millionen $, werden MRAM-Aktien derzeit zu 6,68 $ gehandelt, ein Anstieg von 4,54 % seit Jahresbeginn. Das EPS (TTM) beträgt -0,01 und das KGV (TTM) -451,35.
Für das erste Quartal zum 31. März 2025 meldete das Unternehmen einen Gesamtumsatz von 13,1 Millionen $. Der Umsatz mit MRAM‑Produkten, einschließlich sowohl Toggle‑ als auch STT‑MRAM‑Umsätzen, betrug gleichzeitig 11 Millionen $. Einnahmen aus Lizenzgebühren, Tantiemen, Patenten und anderen Quellen beliefen sich auf 2,1 Millionen $.
(MRAM )
In diesem Zeitraum betrug die Bruttomarge 51,4 %, die GAAP‑Betriebskosten 8,7 Millionen $, der GAAP‑Nettoverlust 1,2 Millionen $ bzw. (0,05 $) pro verwässerter Aktie, und das non‑GAAP‑Nettoeinkommen betrug 0,4 Millionen $ bzw. 0,02 $ pro verwässerter Aktie.
Barmittel und Zahlungsmitteläquivalente am Quartalsende stiegen auf 42,2 Millionen $.
In diesem Jahr sicherte sich Everspin zudem einen Vertrag mit der Purdue University, um sein MRAM als Grundlage in einem Programm namens CHEETA (CMOS+MRAM‑Hardware für energieeffiziente KI) zu nutzen. Sein PERSYST‑MRAM wurde gleichzeitig für die Konfiguration aller Lattice Semiconductor FPGAs validiert.
Früher in diesem Jahr kündigte das Unternehmen zwei neue Produkte als Teil seiner Orion‑xSPI‑Familie an, die einen automobilen Temperaturbereich für persistente, Hochgeschwindigkeits‑Speicheranforderungen in extremen Umgebungen bieten.
„Wir erwarten, dass unsere bestehenden und neuen Kunden die robusten MRAM‑Produkte und -Technologien von Everspin in solchen missionskritischen Anwendungen durch Design‑Wins und strategische strahlungs‑härte Programme für Speicher‑ und FPGA‑Anwendungen einsetzen.“
– Aggarwal
Neueste Everspin Technologies (MRAM) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Fazit
Mit jeder neuen Studie entdecken Forscher, was Wissenschaftler nicht konnten für Jahre. Die neueste tut genau das indem sie die schwachen optischen Signale in eine klare magnetische Präsenz umwandelt, einen neuen Weg für nicht‑invasive Elektron‑Spin‑Messungen schafft. Darüber hinaus haben sie gezeigt, dass das, was einst als Rauschen erschien, tatsächlich reiche Spin‑Orbit Informationen kodiert und das potenziell das Spintronic‑Design, magnetische Speicher und Quantentechnologien transformieren kann, was zu energieeffizienteren Geräten und einer erhöhten Datenspeicherkapazität führt.
Referenzen:
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. Eine empfindliche MOKE‑ und optische Hall‑Effekt‑Technik bei sichtbaren Wellenlängen: Einblicke in die Gilbert‑Dämpfung. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Online veröffentlicht am 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. Riesige nichtlineare Hall‑ und drahtlose Gleichrichtungs‑Effekte bei Raumtemperatur im elementaren Halbleiter Tellur. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Online veröffentlicht am 29. Juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Riesiger orbitaler Hall‑Effekt aufgrund der Bulk‑Zustände von 3D‑topologischen Isolatoren. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Online veröffentlicht am 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. Nutzung des orbitalen Hall‑Effekts in Spin‑Orbit‑Torque‑MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Online veröffentlicht am 2. Januar 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
