Laser Mengungkap Magnetisme Tersembunyi pada Logam Sehari-hari

Dunia teknologi berkembang pesat, dengan peneliti membuat penemuan setiap hari. Baru minggu lalu, para ilmuwan menerbitkan karya mereka, yang memecahkan misteri fisika lama.

Dilakukan oleh peneliti dari Universitas Ibrani bekerja sama dengan Pennsylvania State University dan University of Manchester, studi ini mendeteksi sinyal magnetik halus pada logam yang biasanya tidak bersifat magnetik, hanya menggunakan cahaya dan metode laser yang dimodifikasi.

Efek magnetik lemah ini, yang lebih seperti “bisikan”, pada material non‑magnetik sebelumnya tidak dapat dideteksi karena alasan yang jelas; mereka terlalu kecil. Namun kini, hal itu berubah. Efek-efek ini dapat diukur, mengungkap pola baru perilaku elektron yang tersembunyi hingga studi ini.

Dengan penemuan ini, ilmuwan telah sepenuhnya mengubah cara kita menyelidiki magnetisme dalam material sehari-hari, tanpa kabel atau instrumen besar. Ini bahkan dapat membuka jalan menuju penyimpanan memori, komputasi kuantum, serta elektronik yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih canggih.

Mengungkap Respons Magnetik Halus pada Logam ‘Diam’

Dipublikasikan dalam jurnal Nature Communications¹, studi ini menjelaskan cara baru untuk mengidentifikasi sinyal magnetik kecil pada logam seperti emas (Au), tembaga (Cu), aluminium (Al), tantalum (Ta), dan platina (Pt).

Faktanya, kita telah lama mengetahui bahwa arus listrik melengkung dalam medan magnet, yang disebut efek Hall. Efek ini sangat kuat dan terkenal pada material magnetik seperti besi, tetapi pada logam non‑magnetik umum seperti emas, efeknya cukup lemah.

Efek Hall optik (OHE), fenomena terkait, seharusnya membantu memvisualisasikan perilaku elektron ketika cahaya dan medan magnet berinteraksi.

Namun itu masih teoritis, karena pada panjang gelombang tampak, efek OHE terlalu halus untuk dideteksi ilmuwan. Jadi, meskipun kita tahu bahwa efek ada, kita kurang alat untuk mengukurnya.

“It was like trying to hear a whisper in a noisy room for decades. Everyone knew the whisper was there, but we didn’t have a microphone sensitive enough to hear it.”

– Profesor Amir Capua dari Institute of Electrical Engineering and Applied Physics di Universitas Ibrani

Seperti dijelaskan Prof. Capua, logam‑logam ini, seperti tembaga dan emas, dianggap “diam secara magnetik”. Misalnya, material ini, emas dan tembaga, tidak menempel pada kulkas seperti besi. “Namun pada kenyataannya, di bawah kondisi yang tepat, mereka memang merespon medan magnet—hanya dengan cara yang sangat halus,” tambahnya. Dan selalu menjadi tantangan untuk mengamati efek lemah ini.

Jadi, dalam kolaborasi dengan universitas lain, para peneliti melanjutkan penyelidikan bagaimana mendeteksi efek magnetik yang sangat kecil pada material yang tidak bersifat magnetik.

Untuk ini, mereka beralih ke teknik yang disebut magneto‑optical Kerr effect (MOKE) dan meningkatkan nya. Dalam metode MOKE, laser digunakan untuk mengukur bagaimana magnetisme memengaruhi arah cahaya.

Studi mencatat bahwa, karena efek Hall anomali (AHE) yang diamati pada ferromagnet (material seperti besi, nikel, atau kobalt dengan penyelarasan paralel jangka panjang momen atom yang menghasilkan magnetisasi bersih spontan) jauh lebih kuat daripada efek Hall biasa (OHE), efek Hall optik jauh lebih lemah daripada magneto‑optical Kerr effect (MOKE). Kelemahannya begitu besar sehingga hampir tidak dapat terdeteksi dalam cahaya tampak.

Itulah alasan mengubah teknik MOKE. Peneliti memperkenalkan teknik MOKE, yang didasarkan pada modulasi amplitudo besar dari medan magnet yang diterapkan secara eksternal. Untuk ini, mereka menggunakan magnet permanen yang ditempatkan pada cakram berputar.

Para peneliti menggabungkan ini dengan laser biru 440 nm, yang memungkinkan mereka secara signifikan meningkatkan sensitivitas teknik. Akibatnya, mereka dapat mendeteksi “gema” magnetik pada logam non‑magnetik, yang sebelumnya hampir tidak mungkin dicapai. Studi mencatat:

“Sensitivitas superior dari teknik ini membuka jalan menuju penemuan fenomena baru dan aplikasi seperti penentuan optik interaksi spin‑orbit.”

Gema Optik Mengungkap Sinyal Magnetik Tersembunyi pada Logam

Pengukuran Hall adalah teknik kunci dalam penelitian material dan fisika zat padat. Efek Hall memungkinkan kita mempelajari material pada skala atom dan mengetahui berapa banyak elektron yang ada dalam logam. Ini penting untuk menjembatani kesenjangan antara penelitian fundamental dan aplikasi praktis.

Namun, mengukur efek ini secara tradisional merupakan proses yang rumit dan memakan waktu, terutama ketika bekerja dengan komponen yang sangat kecil, pada skala nanometer. Untuk ini, ilmuwan dulu harus menempelkan kawat pada perangkat, tetapi tidak lagi.

Pendekatan baru sangat sederhana; hanya membutuhkan laser yang dipancarkan pada perangkat listrik.

Seperti yang dicatat Prof. Capua, bahkan Edwin Hall, yang menemukan efek Hall, tidak berhasil ketika mencoba mengukur efek tersebut menggunakan sinar cahaya. Seperti yang Hall rangkum dalam kalimat penutup makalahnya pada tahun 1881:

“Saya pikir, jika aksi perak setengah sepuluh kekuatan aksi besi, efek tersebut akan terdeteksi. Tidak ada efek semacam itu yang diamati.”

Namun dalam penelitian terbaru, para ilmuwan sebenarnya telah mengamati efek “dengan menyetel pada frekuensi yang tepat—dan mengetahui di mana mencarinya,” kata Prof. Capua.

Dengan itu, tim telah “menemukan cara mengukur apa yang dulu dianggap tak terlihat,” tambah Prof. Capua, “Penelitian ini mengubah masalah ilmiah berusia hampir 150 tahun menjadi peluang baru.”

Menyelam lebih dalam membantu tim menemukan bahwa apa yang tampak sebagai ‘noise’ acak dalam sinyal mereka sebenarnya tidak acak, melainkan memiliki makna dan pola yang jelas.

Pola yang diikuti terkait dengan spin‑orbit coupling (SOC). Properti kuantum ini menghubungkan bagaimana elektron bergerak dengan bagaimana mereka berputar, yang memengaruhi cara energi magnetik terdisipasi dalam material.

Wawasan baru yang diperoleh memiliki implikasi langsung dan signifikan untuk merancang perangkat spintronik, memori magnetik, dan sistem kuantum.

“Ini seperti menemukan bahwa statis pada radio bukan hanya gangguan—melainkan seseorang yang berbisik informasi berharga. Kami kini menggunakan cahaya untuk ‘mendengarkan’ pesan tersembunyi ini dari elektron.”

– Kandidat Ph.D. Nadav Am Shalom dari Universitas Ibrani

Teknik baru ini sebenarnya menawarkan alat non‑invasif yang sangat sensitif untuk mengeksplorasi magnetisme pada logam, tanpa memerlukan magnet besar atau kondisi kriogenik.

Kesederhanaan dan presisi teknik ini juga dapat membantu insinyur membangun sistem yang lebih hemat energi, prosesor yang lebih cepat, dan sensor dengan akurasi tinggi.

Namun ini semua baru permulaan, dengan studi yang membicarakan perluasan spektrum material dalam pekerjaan masa depan. Ini mencakup logam tambahan, film berlapis ganda, semikonduktor, serta material topologis dan 2D.

Selain itu, “pengukuran yang bergantung pada suhu sangat menarik, karena dapat memberikan wawasan kunci tentang mekanisme noise dan mendasari pemahaman yang lebih dalam tentang asalnya,” kata studi tersebut.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana laser dapat mengubah material non‑magnetik menjadi magnetik.

Memperluas Efek Hall dengan Kemungkinan Baru

Selama setahun terakhir, peneliti terus meneliti teknik efek Hall, mendorong batas apa yang mungkin. Berdasarkan pengukuran Hall listrik klasik, ilmuwan menemukan regime baru, menandakan pergeseran transformatif.

Ini mencakup penemuan² efek Hall nonlinier (NLHE) yang signifikan pada suhu ruang dalam tellurium (Te). Efek ini merupakan respons urutan kedua terhadap arus bolak‑balik (AC) yang menghasilkan sinyal harmonik kedua tanpa memerlukan medan magnet eksternal.

NLHE, anggota baru keluarga efek Hall, telah mendapatkan banyak perhatian karena potensi penggunaannya dalam perangkat penggandaan frekuensi dan penyearah. Namun tantangan seperti suhu kerja rendah dan output tegangan Hall yang rendah membatasi aplikasi praktisnya.

Jadi, tim riset dari University of Science and Technology of China (USTC) dari Chinese Academy of Sciences (CAS) mencari sistem yang menunjukkan NLHE luar biasa pada material semikonduktor. Mereka kemudian meneliti respons nonlinier tellurium, elemen rapuh dan langka yang memiliki rantai heliks satu dimensi. Struktur ini secara inheren tidak memiliki simetri inversi, menjadikan Te kandidat yang sempurna.

Ketika mereka menguji serpihan tipis tellurium (Te), mereka menemukan efek Hall nonlinier yang signifikan pada suhu ruang. Pada suhu 300 K, output harmonik kedua maksimum dapat mencapai satu orde magnitudo lebih tinggi daripada catatan sebelumnya, hingga 2,8 mV.

Setelah penyelidikan lebih mendalam, NLHE yang diamati pada serpihan tipis tellurium ditemukan terutama merupakan hasil dari scattering ekstrinsik. Di sini, pemecahan simetri permukaan struktur memainkan peran penting.

Berdasarkan hal itu, arus AC digantikan oleh sinyal radiofrekuensi (RF) yang mewujudkan penyearahan RF nirkabel pada serpihan tipis Te dan mencapai output tegangan ter‑rectifikasi yang stabil dalam rentang 0,3 hingga 4,5 GHz. Dengan cara ini, studi membuka kemungkinan baru untuk pengembangan perangkat elektronik canggih.

Baru‑baru ini, peneliti dari University of New South Wales memfokuskan pada keadaan bulk insulator topologis, Bi₂Se₃ dan Sb₂Te₃, dan menemukan³ bahwa torsi Hall orbital mendominasi torsi Hall spin untuk konversi efisien arus listrik menjadi arus spin.

Keadaan bulk menghasilkan OHE yang signifikan, hingga 3 orde magnitudo lebih besar daripada SHE, pada insulator topologis, sebagian karena momentum sudut orbital masing‑masing elektron konduksi lebih besar daripada spin‑nya.

Juga dicatat bahwa mengoptimalkan konversi orbital ke spin dalam perangkat torsi spin TI (insulator topologis) merupakan kunci untuk memiliki kontrol magnetisasi yang lebih efisien, namun hal itu memerlukan teknik lanjutan dan ferromagnet khusus.

Sementara itu, peneliti dari Johannes Gutenberg University menunjukkan⁴ penggunaan efisien konduktivitas Hall orbital yang ditingkatkan pada lapisan Cr, Nb, dan Ru bersama lapisan ferromagnetik yang dimagnetisasi secara tegak lurus untuk perangkat Spin‑Orbit Torque (SOT) Magnetic Random‑Access Memory (MRAM).

Perangkat SOT‑MRAM menjanjikan kinerja lebih baik, nonvolatilitas, dan efisiensi daya dibandingkan RAM statis. Untuk mencapai retensi data yang lama dan perpindahan magnetisasi yang efisien pada perangkat ini, kami membutuhkan ferromagnet dengan anisotropi magnetik tegak lurus (PMA) yang dikombinasikan dengan torsi besar yang ditingkatkan oleh Efek Hall Orbital (OHE).

Jadi, tim merancang FM PMA (Co/Ni)₃ pada lapisan OHE terpilih dan menyelidiki potensi konduktivitas Hall orbital (OHC).

Hasilnya menunjukkan peningkatan 30 % dalam efisiensi torsi dan pengurangan 60 % dalam daya switching, menyoroti “potensi menjanjikan” memanfaatkan Efek Hall orbital yang ditingkatkan untuk mendorong kinerja generasi berikutnya dari perangkat SOT‑MRAM untuk aplikasi memori cache padat tinggi.

Berinvestasi dalam Teknologi Spintronik

Everspin Technologies (MRAM ) secara aktif menggunakan spin elektron alih‑alih muatan untuk menyimpan data. Ini adalah pengembang terkemuka solusi memori magnetoresistif (MRAM), jenis RAM non‑volatile yang menyimpan data dalam domain magnetik.

MRAM menggunakan magnetisme spin elektron untuk memberikan non‑volatilitas dan menyimpan informasi dalam material magnetik yang terintegrasi dengan sirkuit silikon untuk memberikan non‑volatilitas Flash dan kecepatan SRAM dalam satu perangkat.

Produk teknologi MRAM‑nya mencakup Toggle MRAM, yang menyediakan memori sederhana dengan kepadatan tinggi dengan Everspin menggunakan desain sel Toggle yang dipatenkan untuk menawarkan keandalan tinggi. Produk lainnya adalah Spin‑transfer Torque MRAM (STT‑MRAM), yang menggunakan manipulasi spin elektron dengan arus terpolarisasi untuk menetapkan keadaan magnetik yang diinginkan pada MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Dengan kapitalisasi pasar $150 juta, saham MRAM saat ini diperdagangkan pada $6,68, naik 4,54 % YTD. EPS (TTM)-nya adalah -0,01, dan P/E (TTM) adalah -451,35.

Untuk kuartal pertama yang berakhir 31 Maret 2025, perusahaan melaporkan total pendapatan sebesar $13,1 juta. Penjualan produk MRAM‑nya, termasuk pendapatan Toggle dan STT‑MRAM, masing‑masing $11 juta. Pendapatan dari lisensi, royalti, paten, dan lainnya sebesar $2,1 juta.

Selama periode ini, margin kotor sebesar 51,4 %, biaya operasional GAAP $8,7 juta, kerugian bersih GAAP $1,2 juta atau $(0,05) per saham terdilusi, dan pendapatan bersih non‑GAAP $0,4 juta atau $0,02 per saham terdilusi.

Kas dan setara kas pada akhir kuartal meningkat menjadi $42,2 juta.

Tahun ini, Everspin juga mengamankan kontrak dari Purdue University untuk menggunakan MRAM‑nya sebagai dasar dalam program yang disebut CHEETA (CMOS+MRAM Hardware for Energy Efficient AI). PERSYST MRAM‑nya, sementara itu, telah divalidasi untuk konfigurasi di semua FPGA Lattice Semiconductor.

Awal tahun ini, perusahaan mengumumkan dua produk baru sebagai bagian dari keluarga Orion xSPI, yang menampilkan rentang suhu otomotif untuk kebutuhan memori persisten berkecepatan tinggi dalam lingkungan ekstrem.

“Kami berharap pelanggan kami yang ada dan baru akan menerapkan produk dan teknologi MRAM kuat Everspin dalam aplikasi misi kritis melalui kemenangan desain dan program Strategis Radiation Hard untuk memori dan aplikasi FPGA.”

– Aggarwal

Berita dan Perkembangan Saham Everspin Technologies (MRAM) Terbaru

Kesimpulan

Dengan setiap studi baru, peneliti mengungkap apa yang tidak dapat ditemukan ilmuwan selama bertahun‑tahun. Studi terbaru melakukan hal itu dengan mengubah sinyal optik lemah menjadi kehadiran magnetik yang jelas, menciptakan cara baru untuk probing spin elektron secara non‑invasif. Lebih jauh lagi, mereka mengungkap bahwa apa yang dulu tampak sebagai noise sebenarnya menyandi informasi spin‑orbit yang kaya dan dapat berpotensi mengubah desain spintronik, memori magnetik, dan teknologi kuantum, menghasilkan perangkat yang lebih hemat energi dan kapasitas penyimpanan data yang meningkat.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana terobosan memori Ni₄W akan memungkinkan switching tanpa magnet.

Referensi:

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. Teknik MOKE Sensitif dan Efek Hall Optik pada Panjang Gelombang Tampak: Wawasan tentang Redaman Gilbert. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Diterbitkan 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. Efek Hall Nonlinier Raksasa dan Penyearah Nirkabel pada Suhu Ruang pada Semikonduktor Elemental Tellurium. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Diterbitkan online 29 Juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Efek Hall Orbital raksasa akibat keadaan bulk insulator topologis 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Diterbitkan online June 3, 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. Memanfaatkan Efek Hall Orbital dalam MRAM Spin‑Orbit Torque. Nature Communications, 16, 130 (2025). Diterbitkan online 2 Januari 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x