Laser paljastaa piilotetun magnetismin arkipäiväisissä metalleissa

Teknologian maailma kehittyy nopeasti, ja tutkijat tekevät löytöjä päivittäin. Juuri viime viikolla tiedemiehet julkaisivat työnsä, joka murtoi vanhan fysiikan mysteerin.

Hebrew-universiteetin tutkijoiden yhteistyössä Pennsylvanian osavaltion yliopiston ja Manchesterin yliopiston kanssa toteuttama tutkimus havaitsi hienovaraisia magneettisia signaaleja metalleissa, jotka eivät normaalisti ole magneettisia, käyttäen ainoastaan valoa ja muokattua laserimenetelmää.

Nämä heikot magneettiset vaikutukset, jotka ovat enemmän kuin “kuiskauksia”, ei-magneettisissa materiaaleissa ovat aiemmin olleet havaitsemattomia ilmeisistä syistä; ne olivat vain liian pieniä. Mutta nyt tilanne on muuttunut. Nämä vaikutukset ovat mitattavissa, paljastaen uusia elektronien käyttäytymismalleja, jotka olivat piilotettuja tähän tutkimukseen asti.

Tämän löydön myötä tiedemiehet ovat täysin mullistaneet sen, miten tutkimme magnetismia arkipäiväisissä materiaaleissa ilman johtoja tai kömpelöitä välineitä. Tämä voisi jopa avata uusia mahdollisuuksia muistin tallennukseen, kvanttilaskentaan sekä pienempiin, nopeampiin ja kehittyneempiin elektroniikkalaitteisiin.

Hienovaraisen magneettisen vasteen selvittäminen ‘hiljaisissa’ metalleissa

Julkaistu lehdessä Nature Communications¹, tutkimus kuvaa uutta tapaa tunnistaa pieniä magneettisia signaaleja metalleissa, kuten kulta (Au), kupari (Cu), alumiini (Al), tantaali (Ta) ja platina (Pt).

Asia on, että olemme pitkään tienneet, että sähkövirrat taipuvat magneettikentässä, mikä on Hallin efekti. Tämä ilmiö on erityisen vahva ja tunnettu magneettisissa materiaaleissa, kuten rauta, mutta kun tarkastellaan tavallisia, ei-magneettisia metalleja kuten kulta, vaikutus on melko heikko.

Optinen Hallin efekti (OHE), siihen liittyvä ilmiö, pitäisi auttaa visualisoimaan elektronien käyttäytymistä, kun valo ja magneettikentät vuorovaikuttavat.

Mutta se on vain teoria, sillä näkyvissä aallonpituuksissa OHE-ilmiö on liian hienovarainen tieteilijöiden havaitakseen. Joten, vaikka tiedämme että vaikutus on olemassa, meiltä puuttuvat työkalut sen todelliseen mittaamiseen.

“Se oli kuin yrittäisi kuulla kuiskausta meluisassa huoneessa vuosikymmeniä. Kaikki tiesivät kuiskauksen olevan siellä, mutta meillä ei ollut tarpeeksi herkkää mikrofonia sen kuulemiseen.”

– Professori Amir Capua Hebreen yliopiston sähkötekniikan ja sovelletun fysiikan instituutista

Kuten professori Capua selitti, näitä metalleja, kuten kuparia ja kultaa, pidetään “magneettisesti ‘hiljaisina’”. Esimerkiksi nämä materiaalit, kulta ja kupari, eivät tartu jääkaappiin kuten rauta. “Mutta todellisuudessa oikeissa olosuhteissa ne reagoivat magneettikenttiin—vain erittäin hienovaraisilla tavoilla,” hän lisäsi. Ja näiden heikkojen vaikutusten havaitseminen on aina ollut haaste.

Joten yhteistyössä muiden yliopistojen kanssa tutkijat jatkoivat tutkimusta siitä, miten havaita nämä todella pienet magneettiset vaikutukset materiaaleissa, jotka eivät ole magneettisia.

Tätä varten he kääntyivät tekniikan puoleen, jota kutsutaan magneto‑optiseksi Kerr‑efektiksi (MOKE), ja paransivat sitä. MOKE-menetelmässä laseria käytetään mittaamaan, miten magnetismi vaikuttaa valon suuntaan.

Tutkimus huomauttaa, että koska poikkeuksellinen Hallin efekti (AHE), jota havaitaan ferromagneeteissa (materiaalit kuten rauta, nikkeli tai koboltti, joissa atomimomentit ovat pitkän kantaman, rinnakkaisesti kohdistettuja, mikä johtaa spontaaniin nettomagneettisuuteen), on paljon vahvempi kuin tavallinen Hallin efekti (OHE), optinen Hallin efekti on paljon heikompi kuin magneto‑optinen Kerr‑efekti (MOKE). Se on niin heikko, että sitä tuskin voidaan havaita näkyvässä valossa.

Siksi MOKE-tekniikkaa muokattiin. Tutkijat esittelivät MOKE-tekniikan, joka perustuu ulkoisesti sovelletun magneettikentän suuritehoiseen modulointiin. Tätä varten he käyttivät pysyviä magneetteja, jotka oli asetettu pyörivälle levylle.

Tutkijat yhdistivät tämän 440 nm sinisellä laserilla, mikä mahdollisti tekniikan herkkyyden merkittävän parantamisen. Tämän seurauksena he pystyivät havaitsemaan magneettiset “kaikuja” ei‑magneettisissa metalleissa, mikä aiemmin oli lähes mahdotonta saavuttaa. Tutkimus totesi:

“Tekniikan erinomainen herkkyys raivaa tietä uusien ilmiöiden ja sovellusten löytämiseen, kuten optiseen spin‑orbitaalisen vuorovaikutuksen määrittämiseen.”

Optinen kaiku paljastaa piilotetut magneettiset signaalit metalleissa

Hall-mittaukset ovat keskeinen tekniikka materiaalitutkimuksessa ja kiinteän aineen fysiikassa. Hallin efekti mahdollistaa materiaalien tutkimisen atomitasolla ja selvittää, kuinka monta elektronia on metallissa. Se on ratkaisevan tärkeä siltaamaan perusluvun ja käytännön sovellusten välistä kuilua.

Kuitenkin vaikutuksen mittaaminen on perinteisesti hankala ja aikaa vievä prosessi, erityisesti kun työskennellään komponenttien kanssa, jotka ovat todella pieniä, nanometrin mittakaavassa. Tätä varten tiedemiehet ovat aiemmin joutuneet ensin kiinnittämään johdot laitteeseen, mutta ei enää.

Uusi lähestymistapa on hyvin yksinkertainen; se tarvitsee vain laserin, joka kohdistetaan sähköiseen laitteeseen.

Kuten professori Capua totesi, jopa Edwin Hall, joka löysi Hallin efektin, ei onnistunut mittaamaan vaikutusta valonsäteen avulla. Hall tiivisti paperinsa lopullisessa lauseessa vuonna 1881:

“Ajattelen, että jos hopean vaikutus olisi ollut kymmenesosa raudan voimasta, vaikutus olisi havaittu. Tällaisia vaikutuksia ei havaittu.”

Mutta viimeisimmässä tutkimuksessa tiedemiehet ovat itse asiassa havainneet vaikutuksen “virittämällä oikeaan taajuuteen—ja tietäen mistä katsoa,” sanoi professori Capua.

Tämän myötä tiimi on “löytänyt tavan mitata, mitä aiemmin pidettiin näkymättömänä,” professori Capua lisäsi, “Tämä tutkimus muuttaa lähes 150‑vuotiaan tieteellisen ongelman uudeksi mahdollisuudeksi.”

Syvempi tarkastelu auttoi tiimiä huomaamaan, että se, mikä näytti satunnaiselta ‘kohinalta’ heidän signaalissaan, ei ollut lainkaan satunnaista, vaan sillä oli selkeä merkitys ja kaava.

Seuraava kaava liittyi spin‑orbitaalikytkentään (SOC). Tämä kvanttinen ominaisuus yhdistää sen, miten elektronit liikkuvat ja miten ne pyörivät, mikä vaikuttaa siihen, miten magneettinen energia häviää materiaaleissa.

Saadut uudet oivallukset vaikuttavat suoraan ja merkittävästi spintroniikkalaitteiden, magneettisen muistin ja kvanttisysteemien suunnitteluun.

“Se on kuin löytäisi, että radiosta kuuluva staattinen häiriö ei ole pelkkä häiriö—se on joku kuiskaamassa arvokasta tietoa. Käytämme nyt valoa ‘kuuntelemaan’ näitä piilotettuja viestejä elektroneilta.”

– Tohtorikandidaatti Nadav Am Shalom Hebreen yliopistosta

Uusi tekniikka tarjoaa itse asiassa ei‑invasiivisen, erittäin herkän työkalun magneettisuuden tutkimiseen metalleissa, ilman massiivisia magneetteja tai kriogeenisiä olosuhteita.

Tekniikan yksinkertaisuus ja tarkkuus voivat myös auttaa insinöörejä rakentamaan energiatehokkaampia järjestelmiä, nopeampia prosessoreita ja tarkkoja antureita.

Mutta tämä on vain alkua, ja tutkimus puhuu materiaalien spektrin laajentamisesta tulevassa työssä. Tämä sisältää lisämetalleja, monikerroksisia kalvoja, puolijohteita sekä topologisia ja 2D‑materiaaleja.

Lisäksi “lämpötilasta riippuva mittaus on erityisen kiinnostava, koska se voi tarjota keskeistä tietoa kohinan mekanismeista ja tukea syvempää ymmärrystä niiden alkuperästä,” tutkimus totesi.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten laserit voivat muuttaa ei‑magneettiset materiaalit magneettisiksi.

Hallin efektin laajentaminen uusilla mahdollisuuksilla

Viime vuoden aikana tutkijat ovat jatkaneet Hallin efektitekniikoiden tutkimista, työntäen mahdollisuuksien rajoja. Rakentaen klassisten sähköisten Hall‑mittauksien päälle, tiedemiehet paljastavat uusia alueita, mikä merkitsee mullistavaa muutosta.

Tämä sisältää löytö² merkittävistä epälineaarisista Hall‑efekteistä (NLHE) huoneenlämmössä telluurissa (Te). Tämä efekti on toisen asteen vaste sovelletulle vaihtovirralle (AC), joka tuottaa toisen harmonisen signaalin ilman ulkoista magneettikenttää.

NLHE, Hall‑efektiperheen uusi jäsen, on saanut paljon huomiota sen mahdollisen käytön vuoksi taajuuskorotuksissa ja tasasuuntaajissa. Kuitenkin haasteet, kuten alhaiset toimintalämpötilat ja matalat Hall‑jänniteulostulot, ovat rajoittaneet sen käytännön sovelluksia.

Joten kiinalaisen tiede‑ ja teknologian yliopiston (USTC) tutkimusryhmä Kiinan tiedeakatemiasta (CAS) etsi järjestelmiä, jotka osoittavat merkittävää NLHE:tä puolijohdemateriaaleissa. He tarkastelivat sitten telluurin epälineaarista vasteita, hauraana ja harvinaisena alkuaineena, jolla on yksidimensionaalinen spiraaliketju. Sen rakenne puuttuu periaatteessa käänteisymmetriaa, mikä tekee Te:sta täydellisen ehdokkaan.

Kun he testasivat ohuita telluuriflakkeja (Te), he havaitsivat merkittäviä epälineaarisia Hall‑efektejä huoneenlämmössä. 300 K:n lämpötilassa maksimaalinen toisen harmonisen ulostulo voi olla kymmenkerrasta korkeampi kuin aiemmat ennätykset, jopa 2,8 mV.

Syvemmän tarkastelun jälkeen havaittu NLHE ohutuissa telluuriflakkeissa osoittautui pääosin ulkoisen sironnan tulokseksi. Rakennepinnan symmetrian rikkominen näyttelee tässä keskeistä roolia.

Tämän perusteella AC‑virta korvattiin radiotaajuus (RF) -signaaleilla, jotka mahdollistivat langattoman RF‑tasasuuntauksen Te‑ohutflakkeissa ja saavuttivat vakaan tasasuuntaavan jännitteen 0,3–4,5 GHz:n alueella. Näin tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia kehittyneiden elektronisten laitteiden kehittämiseen.

Viime aikoina Uusi Etelä‑Walesin yliopiston tutkijat keskittyivät topologisten eristeiden, Bi2Se3:n ja Sb2Te3:n, bulk‑tiloihin, ja havaitsivat³ että orbital Hall -vääntömomentti hallitsee spin Hall -vääntömomenttia tehokkaassa varausvirran muuntamisessa spin‑virraksi.

Bulk‑tilat aiheuttavat merkittävän OHE:n, jopa 3‑järjestystä suuremman kuin SHE, topologisissa eristeissä, osittain koska jokaisen johtavan elektronin orbitalinen kulma‑energia on suurempi kuin sen spini.

Se myös totesi, että orbitalin ja spinin muuntamisen optimointi TI‑ (topologiset eristeet) spin‑vääntölaitteissa on avain tehokkaampaan magneettisuuden hallintaan, mutta se vaatii kehittyneitä tekniikoita ja erityisiä ferromagneetteja.

Sillä välin Johannes Gutenberg -yliopiston tutkijat näyttivät⁴ tehokkaan käytön parannetun orbital Hall -johtavuuden Cr-, Nb- ja Ru-kerroksissa yhdessä pystysuuntaisesti magneettoituneen ferromagneettisen kerroksen kanssa Spin‑Orbit‑Torque (SOT) -magneettisessa satunnaiskäyttömuistissa (MRAM).

SOT‑MRAM‑laitteet lupaavat paremman suorituskyvyn, ei‑häviöisyyden ja energiatehokkuuden verrattuna staattiseen RAM‑muistiin. Pitkän datan säilyvyyden ja tehokkaan magneettikytkennän saavuttamiseksi näissä laitteissa tarvitsemme ferromagneetteja, joilla on pystysuuntainen magneettinen anisotropia (PMA) yhdistettynä suuriin vääntömomentteihin, jotka on lisätty orbital Hall -efektin (OHE) avulla.

Tiimi suunnitteli siis PMA (Co/Ni)3 FM:n valituilla OHE-kerroksilla ja tutki orbital Hall -johtavuuden (OHC) potentiaalia.

Tulokset osoittavat 30 % parannuksen vääntömomentin tehokkuudessa ja 60 % vähennyksen kytkentävirrassa, korostaen “lupaavaa potentiaalia hyödyntää parannettua orbital Hall -efektiä seuraavan sukupolven SOT‑MRAM‑laitteiden suorituskyvyn edistämiseksi korkean tiheyden välimuistimuistisovelluksissa.”

Sijoittaminen spintroniikkateknologiaan

Everspin Technologies (MRAM ) käyttää aktiivisesti elektronin spiniä varauksen sijaan datan tallentamiseen. Se on johtava magnetoresistiivisen satunnaiskäyttömuistin (MRAM) ratkaisujen kehittäjä, ei‑häviöisen RAM-muistin tyyppi, joka tallentaa dataa magneettisissa alueissa integroituina piisirun kanssa tarjoten Flash‑muistin ei‑häviöisyyden ja SRAM‑muistin nopeuden yhdessä laitteessa.

MRAM käyttää elektronin spinin magnetismia tarjotakseen ei‑häviöisyyden ja tallentaa tiedot magneettiseen materiaaliin, joka on integroituna piisirun kanssa, tarjoten Flash‑muistin ei‑häviöisyyden ja SRAM‑muistin nopeuden yhdessä laitteessa.

Sen MRAM‑teknologian tuotteisiin kuuluu Toggle‑MRAM, joka tarjoaa yksinkertaisen, korkean tiheyden muistin Everspinin patentoimalla Toggle‑solusuunnittelulla, tarjoten korkean luotettavuuden. Toinen tuote on Spin‑transfer‑Torque‑MRAM (STT‑MRAM), joka käyttää elektronien spinin manipulointia polarisoivan virran avulla halutun magneettisen tilan luomiseksi MTJ:ssä.

Everspin Technologies (MRAM )

Markkina-arvolla 150 miljoonaa dollaria MRAM‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 6,68 $, nousua 4,54 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,01, ja P/E (TTM) on -451,35.

Ensimmäiselle 2025 maaliskuun 31 päivänä päättyneelle neljännekselle yhtiö raportoi kokonaisliikevaihdoksi 13,1 miljoonaa dollaria. Sen MRAM‑tuotemyynti, mukaan lukien sekä Toggle‑ että STT‑MRAM‑tulot, oli 11 miljoonaa dollaria. Lisensointi-, rojaltit-, patentti- ja muut tulot olivat 2,1 miljoonaa dollaria.

Tänä aikana bruttokate oli 51,4 %, GAAP‑toimintakulut olivat 8,7 miljoonaa dollaria, GAAP‑nettotappio oli 1,2 miljoonaa dollaria tai -0,05 $ laimennetulta osakkeelta, ja non‑GAAP‑nettotulo oli 0,4 miljoonaa dollaria tai 0,02 $ laimennetulta osakkeelta.

Käteinen ja käteiset vastaavat neljänneksen lopussa nousivat 42,2 miljoonaan dollariin.

Tänä vuonna Everspin sai myös sopimuksen Purdue‑yliopistolta käyttää sen MRAM:ia perustana ohjelmassa nimeltä CHEETA (CMOS+MRAM‑laitteisto energiatehokkaaseen tekoälyyn). Sen PERSYST‑MRAM puolestaan vahvistettiin konfiguroitavaksi kaikissa Lattice Semiconductor (LSCC ) -FPGA:issa.

Aikaisemmin tänä vuonna yhtiö ilmoitti kahdesta uudesta tuotteesta Orion xSPI -perheessään, jotka tarjoavat ajoneuvoteollisuuden lämpötila-alueen pysyvään, nopeaan muistikäyttöön äärimmäisissä olosuhteissa.

“Odotamme, että nykyiset ja uudet asiakkaamme ottavat käyttöön Everspinin vankat MRAM‑tuotteet ja -teknologian tällaisissa kriittisissä sovelluksissa suunnitteluhankintojen ja strategisten säteilykestävien ohjelmien kautta muisti- ja FPGA‑sovelluksiin.”

– Aggarwal

Uusimmat Everspin Technologies (MRAM) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Yhteenveto

Jokaisen uuden tutkimuksen myötä tutkijat paljastavat, mitä tiedemiehet eivät ole vuosien ajan pystyneet. Viimeisin tutkimus tekee juuri sen muuttamalla heikot optiset signaalit selkeäksi magneettiseksi läsnäoloksi, luoden uuden tavan ei‑invasiiviseen elektronin spinin tutkimiseen. Lisäksi he ovat paljastaneet, että mitä kerran pidettiin kohinana, koodaa itse asiassa rikasta spin‑orbitaalista tietoa, ja että se voi mahdollisesti mullistaa spintroniikkasuunnittelun, magneettisen muistin ja kvanttiteknologiat, johtamalla energiatehokkaampiin laitteisiin ja parantuneeseen datan tallennuskapasiteettiin.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten Ni₄W‑muistituloksen läpimurto mahdollistaa magneettivapaan kytkennän.

Lähteet:

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. Herkkä MOKE- ja optinen Hall‑efekti -tekniikka näkyvillä aallonpituuksilla: Näkemyksiä Gilbert‑dämpäyksestä. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Julkaistu online 17. heinäkuuta 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. Jättimäiset epälineaariset Hall‑ ja langattomat tasasuuntausefektit huoneenlämmössä alkuaineen puolijohde telluurissa. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Julkaistu online 29. kesäkuuta 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y

3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Jättimäinen orbital Hall -efekti 3D‑topologisten eristeiden bulk‑tilojen vuoksi. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Julkaistu online 3. kesäkuuta 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. Orbitaalisen Hall‑efektin hyödyntäminen Spin‑Orbit‑Torque‑MRAM:issa. Nature Communications, 16, 130 (2025). Julkaistu online 2. tammikuuta 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x