El láser revela el magnetismo oculto en metales cotidianos

El mundo de la tecnología avanza rápidamente, con investigadores haciendo descubrimientos cada día. La semana pasada, los científicos publicaron su trabajo, que resolvió un antiguo misterio de la física.

Realizado por investigadores de la Universidad Hebrea en colaboración con la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Manchester, el estudio detectó sutiles señales magnéticas en metales que normalmente no son magnéticos, usando solo luz y un método láser modificado.

Estos débiles efectos magnéticos, que son más como “susurros”, en materiales no magnéticos habían sido previamente indetectables por razones obvias; simplemente eran demasiado pequeños. Pero ahora, eso ha cambiado. Estos efectos son medibles, revelando nuevos patrones de comportamiento electrónico que estaban ocultos hasta este estudio.

Con este descubrimiento, los científicos han transformado por completo cómo investigamos el magnetismo en materiales cotidianos, sin cables o instrumentos voluminosos. Esto podría incluso abrir vías hacia el almacenamiento de memoria, la computación cuántica y electrónica más pequeña, más rápida y más avanzada.

Desentrañando la sutil respuesta magnética en metales ‘silenciosos’

Publicado en la revista Nature Communications¹, el estudio detalla una nueva forma de identificar diminutas señales magnéticas en metales como oro (Au), cobre (Cu), aluminio (Al), tantalio (Ta) y platino (Pt).

El asunto es que, desde hace tiempo sabemos que las corrientes eléctricas se curvan en un campo magnético, lo que es el efecto Hall. Este efecto es particularmente fuerte y bien conocido en materiales magnéticos como el hierro, pero cuando se trata de metales comunes no magnéticos como el oro, el efecto es bastante débil.

El efecto Hall óptico (OHE), un fenómeno relacionado, debería ayudar a visualizar el comportamiento de los electrones cuando la luz y los campos magnéticos interactúan. 

Pero eso es en teoría, ya que en longitudes de onda visibles, el efecto OHE es demasiado sutil para que los científicos lo detecten. Así que, aunque sabemos que el efecto está presente, nos faltan las herramientas para medirlo realmente.

“Era como intentar escuchar un susurro en una habitación ruidosa durante décadas. Todos sabían que el susurro estaba allí, pero no teníamos un micrófono lo suficientemente sensible para escucharlo.”

– Profesor Amir Capua del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada de la Universidad Hebrea

Como explicó el Prof. Capua, estos metales, como el cobre y el oro, se consideran “magnéticamente ‘silenciosos’”. Por ejemplo, estos materiales, oro y cobre, no se adhieren al refrigerador como lo hace el hierro. “Pero en realidad, bajo las condiciones adecuadas, responden a los campos magnéticos, solo que de manera extremadamente sutil”, añadió. Y siempre ha sido un desafío observar estos débiles efectos.

Así, en colaboración con otras universidades, los investigadores continuaron investigando simplemente cómo detectar estos realmente pequeños efectos magnéticos en materiales que no son magnéticos. 

Para ello, recurrieron a una técnica llamada efecto Kerr magneto‑óptico (MOKE) y la mejoraron. Bajo el método MOKE, se utiliza un láser para medir cómo el magnetismo afecta la dirección de la luz.

El estudio señala que, debido a que el efecto Hall anómalo (AHE) observado en ferromagnetos (materiales como hierro, níquel o cobalto con alineación paralela a gran escala de los momentos atómicos que resulta en una magnetización neta espontánea) es mucho más fuerte que el efecto Hall ordinario (OHE), el efecto Hall óptico es mucho más débil que el efecto Kerr magneto‑óptico (MOKE). Es tan débil que apenas puede detectarse en luz visible.

De ahí la razón para modificar la técnica MOKE. Los investigadores presentaron la técnica MOKE, que se basa en la modulación de gran amplitud del campo magnético aplicado externamente. Para ello, utilizaron imanes permanentes colocados en un disco giratorio.

Los investigadores combinaron esto con un láser azul de 440 nm, lo que les permitió aumentar significativamente la sensibilidad de la técnica. Como resultado, pudieron detectar los “ecos” magnéticos en metales no magnéticos, lo que antes era prácticamente imposible de lograr. El estudio señaló:

“La sensibilidad superior de la técnica abre el camino hacia el descubrimiento de nuevos fenómenos y aplicaciones, como la determinación óptica de la interacción espín‑órbita.” 

El eco óptico revela señales magnéticas ocultas en metales

Las mediciones Hall son una técnica clave en la investigación de materiales y la física del estado sólido. El efecto Hall nos permite estudiar los materiales a escala atómica y descubrir cuántos electrones hay en un metal. Es crucial para cerrar la brecha entre la investigación fundamental y las aplicaciones prácticas.

Sin embargo, medir el efecto es tradicionalmente un proceso complicado y que consume tiempo, especialmente al trabajar con componentes realmente pequeños, a escala nanométrica. Para ello, los científicos tenían que primero conectar cables al dispositivo, pero ya no.

El nuevo enfoque es muy simple; solo necesita que un láser sea dirigido al dispositivo eléctrico.

Como señaló el Prof. Capua, incluso Edwin Hall, quien descubrió el efecto Hall, no tuvo éxito cuando intentó medir el efecto usando un haz de luz. Hall resumió en la frase final de su artículo de 1881:

“Creo que, si la acción de la plata hubiera sido una décima parte de la del hierro, el efecto habría sido detectado. No se observó tal efecto.” 

Pero en la investigación más reciente, los científicos, de hecho, observaron el efecto “ajustándose a la frecuencia correcta—y sabiendo dónde buscar,” dijo el Prof. Capua. 

Con eso, el equipo ha “encontrado una manera de medir lo que antes se consideraba invisible,” añadió el Prof. Capua, “Esta investigación convierte un problema científico de casi 150 años en una nueva oportunidad.”

Indagando aún más, el equipo descubrió que lo que parecía ser un ‘ruido’ aleatorio en su señal no lo era tanto, sino que tenía un significado y patrón claros. 

El patrón observado estaba relacionado con el acoplamiento espín‑órbita (SOC). Esta propiedad cuántica conecta cómo se mueven los electrones con cómo giran, lo que afecta la forma en que la energía magnética se disipa en los materiales. 

Los nuevos conocimientos obtenidos tienen implicaciones directas y significativas para el diseño de dispositivos espintrónicos, memoria magnética y sistemas cuánticos.

“Es como descubrir que el estático en una radio no es solo interferencia, sino alguien susurrando información valiosa. Ahora usamos luz para ‘escuchar’ estos mensajes ocultos de los electrones.”

– Candidato a doctorado Nadav Am Shalom de la Universidad Hebrea

La novedosa técnica ofrece realmente una herramienta no invasiva y altamente sensible para explorar el magnetismo en metales, sin requerir imanes masivos o condiciones criogénicas. 

La simplicidad y precisión de la técnica también podrían ayudar a los ingenieros a construir sistemas más eficientes energéticamente, procesadores más rápidos y sensores con alta precisión.

Pero esto es solo el comienzo, con el estudio hablando de ampliar el espectro de materiales en trabajos futuros. Esto incluye metales adicionales, películas multicapa, semiconductores y materiales topológicos y 2D. 

Además, una “medición dependiente de la temperatura es de particular interés, ya que podría ofrecer una visión clave de los mecanismos de ruido y sustentar una comprensión más profunda de su origen,” afirmó el estudio.

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Ampliando el efecto Hall con nuevas posibilidades

Durante el último año, los investigadores han continuado explorando técnicas del efecto Hall, empujando los límites de lo posible. Basándose en las mediciones clásicas del efecto Hall eléctrico, los científicos están descubriendo nuevos regímenes, señalando un cambio transformador. 

Esto incluye el descubrimiento² de efectos Hall no lineales (NLHE) significativos a temperatura ambiente en telurio (Te). El efecto es una respuesta de segundo orden a una corriente alterna (AC) aplicada que genera señales de segunda armónica sin necesidad de un campo magnético externo. 

NLHE, un nuevo miembro de la familia del efecto Hall, ha recibido mucha atención debido a su posible uso en dispositivos de duplicación de frecuencia y rectificación. Sin embargo, desafíos como bajas temperaturas de funcionamiento y bajos voltajes Hall han limitado sus aplicaciones prácticas. 

Así, un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias (CAS) buscó sistemas que mostraran NLHE notable en materiales semiconductores. Investigaron la respuesta no lineal del telurio, un elemento frágil y raro que tiene una cadena helicoidal unidimensional. Su estructura carece inherentemente de simetría de inversión, lo que hace del Te el candidato perfecto.

Cuando probaron finas láminas de telurio (Te), descubrieron efectos Hall no lineales considerables a temperatura ambiente. A 300 K, la salida de segunda armónica máxima puede alcanzar un orden de magnitud mayor que los registros anteriores, llegando hasta 2.8 mV.

Al profundizar, se encontró que el NLHE observado en las finas láminas de telurio se debía principalmente a la dispersión extrínseca. Aquí, la ruptura de la simetría de superficie de la estructura jugó un papel crucial.

Basándose en eso, la corriente AC fue reemplazada por señales de radiofrecuencia (RF) que lograron rectificación inalámbrica de RF en finas láminas de Te y alcanzaron una salida de voltaje rectificado estable en un rango de 0.3 a 4.5 GHz. De esta manera, el estudio abre nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur se centraron en los estados a granel de los aislantes topológicos, Bi2Se3 y Sb2Te3, y encontraron³ que el torque Hall orbital domina el torque Hall de espín para una conversión eficiente de corriente de carga a corriente de espín.

Los estados a granel generan un OHE considerable, hasta 3 órdenes de magnitud mayor que el SHE, en los aislantes topológicos, en parte debido a que el momento angular orbital de cada electrón de conducción es mayor que su espín. 

También se señaló que optimizar la conversión orbital‑a‑espín en dispositivos de torque de espín de aislantes topológicos es clave para lograr un control más eficiente de la magnetización, pero eso requerirá técnicas avanzadas y ferromagnetos específicos. 

Mientras tanto, investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg mostraron⁴ un uso eficiente de la conductividad Hall orbital mejorada de capas de Cr, Nb y Ru junto con una capa ferromagnética magnetizada perpendicularmente para dispositivos de Memoria de Acceso Aleatorio Magnética por Torque de Spin‑Órbita (SOT‑MRAM). 

Los dispositivos SOT‑MRAM prometen mejor rendimiento, no volatilidad y eficiencia energética en comparación con la RAM estática. Para lograr una larga retención de datos y un conmutado de magnetización eficiente en estos dispositivos, necesitamos ferromagnetos con anisotropía magnética perpendicular (PMA) combinados con torques grandes aumentados por el efecto Hall orbital (OHE). 

Así, el equipo diseñó un FM PMA (Co/Ni)3 sobre capas OHE seleccionadas e investigó el potencial de la conductividad Hall orbital (OHC).

Los resultados muestran una mejora del 30 % en la eficiencia del torque y una reducción del 60 % en la potencia de conmutación, destacando el “potencial prometedor de aprovechar el efecto Hall orbital mejorado para impulsar el rendimiento de la próxima generación de dispositivos SOT‑MRAM para aplicaciones de memoria caché de alta densidad.”

Invertir en tecnología de espintrónica

Everspin Technologies (MRAM ) utiliza activamente el spin de los electrones en lugar de la carga para almacenar datos. Es un desarrollador líder de soluciones de memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM), un tipo de RAM no volátil que almacena datos en dominios magnéticos.

MRAM utiliza el magnetismo del spin de un electrón para proporcionar no volatilidad y almacena información en material magnético integrado con circuitos de silicio para ofrecer la no volatilidad de la Flash y la velocidad de la SRAM en un solo dispositivo. 

Sus productos de tecnología MRAM incluyen Toggle MRAM, que proporciona una memoria simple y de alta densidad con Everspin usando un diseño de celda Toggle patentado para ofrecer alta fiabilidad. Su otro producto es Spin‑transfer Torque MRAM (STT‑MRAM), que utiliza la manipulación del spin de los electrones con una corriente polarizadora para establecer el estado magnético deseado del MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Con una capitalización de mercado de 150 millones de dólares, las acciones de MRAM cotizan actualmente a 6,68 $, con un aumento del 4,54 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -0,01, y el P/E (TTM) es -451,35.

Para el primer trimestre que finalizó el 31 de marzo de 2025, la compañía reportó ingresos totales de 13,1 millones de dólares. Sus ventas de productos MRAM, incluyendo tanto Toggle como STT‑MRAM, fueron 11 millones de dólares. Los ingresos por licencias, regalías, patentes y otros fueron 2,1 millones de dólares.

Durante este período, el margen bruto fue del 51,4 %, los gastos operativos GAAP fueron 8,7 millones de dólares, la pérdida neta GAAP fue de 1,2 millones de dólares o $(0,05) por acción diluida, y el ingreso neto no GAAP fue de 0,4 millones de dólares o $0,02 por acción diluida.

El efectivo y equivalentes de efectivo al final del trimestre aumentaron a 42,2 millones de dólares.

Este año, Everspin también aseguró un contrato de la Universidad Purdue para utilizar su MRAM como base en un programa llamado CHEETA (Hardware CMOS+MRAM para IA energéticamente eficiente). Su MRAM PERSYST, mientras tanto, fue validado para configuración en todos los FPGAs de Lattice Semiconductor.

A principios de este año, la compañía anunció dos nuevos productos como parte de su familia Orion xSPI, con un rango de temperatura automotriz para requisitos de memoria persistente y de alta velocidad en entornos extremos. 

“Esperamos que nuestros clientes actuales y nuevos implementen los robustos productos y tecnología MRAM de Everspin en aplicaciones críticas mediante éxitos de diseño y programas estratégicos de resistencia a la radiación para aplicaciones de memoria y FPGA.” 

– Aggarwal

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Everspin Technologies (MRAM)

Conclusión

Con cada nuevo estudio, los investigadores descubren lo que los científicos no pudieron durante años. El último lo hace exactamente al convertir las débiles señales ópticas en una presencia magnética clara, creando una nueva forma de sondeo no invasivo del spin de electrones. Además, han revelado que lo que antes parecía ruido en realidad codifica rica información espín‑órbita y que puede transformar potencialmente el diseño espintrónico, la memoria magnética y las tecnologías cuánticas, conduciendo a dispositivos más eficientes energéticamente y a una mayor capacidad de almacenamiento de datos.

Haga clic aquí para aprender cómo el avance en memoria Ni₄W permitirá conmutación sin imanes.

Referencias:

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. Una técnica sensible de MOKE y efecto Hall óptico en longitudes de onda visibles: Perspectivas sobre el amortiguamiento de Gilbert. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Publicado en línea el 17 de julio de 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. Efectos Hall no lineales gigantes y rectificación inalámbrica a temperatura ambiente en el semiconductor elemental telurio. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publicado en línea el 29 de junio de 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Efecto Hall orbital gigante debido a los estados a granel de aislantes topológicos 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publicado en línea el 3 de junio de 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. Aprovechando el efecto Hall orbital en MRAM de torque de spin‑órbita. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publicado en línea el 2 de enero de 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x