Laser Rivela Magnetismo Nascosto in Metalli Quotidiani

Il mondo della tecnologia sta avanzando rapidamente, con i ricercatori che fanno scoperte ogni giorno. Proprio la scorsa settimana, gli scienziati hanno pubblicato il loro lavoro, che ha risolto un vecchio mistero della fisica.

Condotta da ricercatori dell’Università Ebraica in collaborazione con l’Università dello Stato della Pennsylvania e l’Università di Manchester, lo studio ha rilevato segnali magnetici sottili in metalli che normalmente non sono magnetici, utilizzando solo la luce e un metodo laser modificato.

Questi effetti magnetici deboli, che sono più simili a “sussurri”, in materiali non magnetici sono stati precedentemente indetectabili per ovvi motivi; erano semplicemente troppo piccoli. Ma adesso, questo è cambiato. Questi effetti sono misurabili, svelando nuovi modelli di comportamento degli elettroni che erano nascosti fino a questo studio.

Con questa scoperta, gli scienziati hanno completamente trasformato come indaghiamo il magnetismo nei materiali di uso quotidiano, senza fili o strumenti ingombranti. Ciò potrebbe anche aprire nuove strade per la memorizzazione dei dati, l’elaborazione quantistica e l’elettronica più piccola, veloce e avanzata.

Svelare la sottile risposta magnetica nei metalli “silenziosi”

Pubblicato sulla rivista Nature Communications¹, lo studio descrive un nuovo modo per identificare piccoli segnali magnetici nei metalli come oro (Au), rame (Cu), alluminio (Al), tantalio (Ta) e platino (Pt).

La cosa è, da tempo sappiamo che le correnti elettriche si curvano in un campo magnetico, che è l’effetto Hall. Questo effetto è particolarmente forte e noto nei materiali magnetici come ferro, ma quando si tratta di metalli comuni e non magnetici come l’oro, l’effetto è piuttosto debole.

L’effetto Hall ottico (OHE), un fenomeno correlato, dovrebbe aiutare a visualizzare il comportamento degli elettroni quando la luce e i campi magnetici interagiscono. 

Ma questo è in teoria, poiché a lunghezze d’onda visibili, l’effetto OHE è troppo sottile per essere rilevato dagli scienziati. Quindi, mentre sappiamo che l’effetto è presente, manchiamo degli strumenti per misurarlo effettivamente.

“Era come cercare di sentire un sussurro in una stanza rumorosa per decenni. Tutti sapevano che il sussurro c’era, ma non avevamo un microfono abbastanza sensibile per sentirlo.”

– Professor Amir Capua dell’Istituto di Ingegneria Elettrica e Fisica Applicata dell’Università Ebraica

Come ha spiegato il prof. Capua, questi metalli, come rame e oro, sono considerati “magneticamente ‘silenziosi'”. Ad esempio, questi materiali, oro e rame, non si attaccano al frigorifero come fa il ferro. “Ma in realtà, nelle condizioni giuste, rispondono ai campi magnetici – solo in modi estremamente sottili”, ha aggiunto. E ha sempre costituito una sfida osservare questi effetti deboli.

Quindi, in collaborazione con altre università, i ricercatori hanno continuato a indagare solo su come rilevare questi veramente piccoli effetti magnetici in materiali che non sono magnetici. 

Per questo, hanno utilizzato una tecnica chiamata effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) e l’hanno migliorata. Con il metodo MOKE, un laser viene utilizzato per misurare come il magnetismo influisce sulla direzione della luce.Lo studio nota che, poiché l’effetto Hall anomalo (AHE) osservato nei ferromagneti (materiali come ferro, nichel o cobalto con allineamento parallelo a lungo raggio dei momenti atomici che risultano in una magnetizzazione netta spontanea) è molto più forte dell’effetto Hall ordinario (OHE), l’effetto Hall ottico è molto più debole dell’effetto Kerr magneto-ottico (MOKE). È così debole che può essere a malapena rilevato nella luce visibile.

Pertanto, il motivo per modificare la tecnica MOKE. I ricercatori hanno presentato la tecnica MOKE, che si basa sulla modulazione di grande ampiezza del campo magnetico applicato esternamente. Per questo, hanno utilizzato magneti permanenti posizionati su un disco rotante.

I ricercatori hanno combinato questo con un laser blu da 440 nm, che ha consentito loro di aumentare notevolmente la sensibilità della tecnica. Di conseguenza, sono stati in grado di rilevare gli “echi” magnetici nei metalli non magnetici, che era precedentemente pressoché impossibile da raggiungere. Lo studio ha notato:

“La sensibilità superiore della tecnica apre la strada alla scoperta di nuovi fenomeni e applicazioni come la determinazione ottica dell’interazione spin-orbita.” 

Rivelazione di segnali magnetici nascosti nei metalli mediante eco ottica

Le misurazioni di Hall sono una tecnica fondamentale nella ricerca sui materiali e nella fisica dello stato solido. L’effetto Hall consente di studiare i materiali a scala atomica e di scoprire quanti elettroni sono in un metallo. È cruciale per colmare il divario tra la ricerca fondamentale e le applicazioni pratiche.

Tuttavia, misurare l’effetto è tradizionalmente un processo difficile e lungo, soprattutto quando si lavora con componenti molto piccole, su scala nanometrica. Per questo, gli scienziati hanno dovuto prima collegare fili al dispositivo, ma non più.

Il nuovo approccio è molto semplice; richiede solo un laser per essere diretto sul dispositivo elettrico.

Come ha notato il prof. Capua, anche Edwin Hall, che ha scoperto l’effetto Hall, non ha avuto successo quando ha cercato di misurare l’effetto utilizzando un fascio di luce. Come Hall ha riassunto nella frase finale del suo articolo del 1881:

“Penso che, se l’azione dell’argento fosse stata un decimo così forte come quella del ferro, l’effetto sarebbe stato rilevato. Nessun tale effetto è stato osservato.”

Ma nella ricerca più recente, gli scienziati hanno, in effetti, osservato l’effetto “sintonizzandosi sulla frequenza giusta e sapendo dove guardare”, ha detto il prof. Capua.

Con ciò, il team ha “trovato un modo per misurare ciò che un tempo era considerato invisibile”, ha aggiunto il prof. Capua, “Questa ricerca trasforma un problema scientifico di quasi 150 anni in una nuova opportunità.”

Guardare più a fondo ha aiutato il team a scoprire che ciò che sembrava essere un rumore casuale nel loro segnale non era così casuale dopo tutto, ma aveva un significato e un modello chiaro.

Il modello seguito era relativo all’accoppiamento spin-orbita (SOC). Questa proprietà quantistica collega come gli elettroni si muovono a come ruotano, il che influenza il modo in cui l’energia magnetica si dissipa nei materiali.

Le nuove intuizioni acquisite hanno implicazioni dirette e significative per la progettazione di dispositivi spintronici, memoria magnetica e sistemi quantistici.

“È come scoprire che il rumore statico in una radio non è solo interferenza, ma qualcuno che sussurra informazioni preziose. Ora stiamo utilizzando la luce per ‘ascoltare’ questi messaggi nascosti degli elettroni.”

–

Il candidato al dottorato Nadav Am Shalom dell’Università Ebraica
La tecnica innovativa offre in realtà uno strumento non invasivo, altamente sensibile per esplorare il magnetismo nei metalli, senza richiedere magneti massicci o condizioni criogeniche.

La semplicità e la precisione della tecnica potrebbero anche aiutare gli ingegneri a costruire sistemi più efficienti in termini di energia, processori più veloci e sensori con una forte accuratezza.Ma questo è solo l’inizio, con lo studio che parla dell’ampliamento dello spettro dei materiali in lavori futuri. Ciò include metalli aggiuntivi, film multistrato, semiconduttori e materiali topologici e 2D. 

Inoltre, “una misurazione dipendente dalla temperatura è di particolare interesse, poiché potrebbe offrire informazioni chiave sui meccanismi di rumore e sostenere una comprensione più profonda della loro origine”, ha affermato lo studio.

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Espandendo l’effetto Hall con nuove possibilità

Nell’ultimo anno, i ricercatori hanno continuato a studiare le tecniche dell’effetto Hall, spingendo i limiti di ciò che è possibile. Partendo dalle classiche misurazioni elettriche dell’effetto Hall, gli scienziati stanno scoprendo nuovi regimi, segnando un cambiamento trasformativo. 

Questo includela scoperta² di significativi effetti Hall non lineari (NLHE) a temperatura ambiente in tellurio (Te). L’effetto è una risposta di secondo ordine a una corrente alternata (AC) applicata che genera segnali di secondo armonico senza necessità di un campo magnetico esterno. 

NLHE, un nuovo membro della famiglia dell’effetto Hall, ha ricevuto molta attenzione a causa della sua possibile utilizzazione in dispositivi di raddoppio della frequenza e di rettificazione. Le sfide come le basse temperature di lavoro e le basse uscite di tensione dell’effetto Hall, tuttavia, hanno limitato le sue applicazioni pratiche. 

Quindi, un team di ricerca dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha cercato sistemi che mostrano un notevole NLHE in materiali semiconduttori. Hanno quindi esaminato la risposta non lineare del tellurio, un elemento fragile e raro che ha una catena elicoidale unidimensionale. La sua struttura manca intrinsecamente di simmetria di inversione, il che lo rende il candidato perfetto.

Quando hanno testato sottili schegge di tellurio (Te), hanno scoperto considerevoli effetti Hall non lineari a temperatura ambiente. A una temperatura di 300 K, l’uscita di secondo armonico massima può raggiungere un ordine di grandezza superiore ai precedenti record, fino a 2,8 mV.

In un’analisi più approfondita, l’NLHE osservato nelle sottili schegge di tellurio è stato trovato essere principalmente il risultato di scattering estrinseco. Qui, la rottura della simmetria della superficie della struttura ha giocato un ruolo cruciale.

Sulla base di ciò, la corrente AC è stata sostituita da segnali radiofrequenza (RF) che hanno realizzato la rettificazione RF wireless in schegge sottili di Te e hanno raggiunto un’uscita di tensione rettificata stabile su un intervallo di 0,3-4,5 GHz. In questo modo, lo studio apre nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi elettronici avanzati.Recentemente, i ricercatori dell’Università del Nuovo Galles del Sud si sono concentrati sugli stati bulk degli isolatori topologici, Bi2Se3 e Sb2Te3, e hanno trovato³ che la coppia di Hall orbitale domina la coppia di Hall di spin per una conversione efficiente della corrente di carica in corrente di spin.

Gli stati bulk danno origine a un’OHE (Orbital Hall Effect) di grandi dimensioni, fino a 3 ordini di grandezza più grande della SHE (Spin Hall Effect), negli isolatori topologici, in parte a causa del momento angolare orbitale di ogni elettrone di conduzione più grande del suo spin. 

È stato anche notato che l’ottimizzazione della conversione orbitale in spin nei dispositivi di coppia di spin di isolatori topologici (TI) è fondamentale per avere un controllo più efficiente sulla magnetizzazione, ma che richiederà tecniche avanzate e ferromagneti specifici.che sarà necessario per 

Nel frattempo, i ricercatori dell’Università Johannes Gutenberg hanno mostrato⁴ un utilizzo efficiente della conducibilità di Hall orbitale migliorata dei layer di Cr, Nb e Ru insieme con un layer ferromagnetico magnetizzato perpendicolarmente per dispositivi di memoria di accesso casuale magnetica (MRAM) con coppia di spin-orbita (SOT). 

I dispositivi SOT-MRAM promettono prestazioni migliori, non volatilità e efficienza energetica rispetto alla memoria RAM statica. Per raggiungere una lunga conservazione dei dati e un commutazione efficiente della magnetizzazione in questi dispositivi, abbiamo bisogno di ferromagneti con anisotropia magnetica perpendicolare (PMA) combinati con coppie grandi aumentate dall’effetto di Hall orbitale (OHE).aumentate da 

Quindi, il team ha progettato un FM (Co/Ni)3 con PMA su layer di OHE selezionati e ha indagato il potenziale della conducibilità di Hall orbitale (OHC).I risultati mostrano un miglioramento del 30% nell’efficienza di coppia e una riduzione del 60% nella potenza di commutazione, evidenziando il “promettente potenziale dell’utilizzo dell’effetto Hall orbitale migliorato per aumentare le prestazioni delle prossime generazioni di dispositivi SOT MRAM per applicazioni di memoria cache ad alta densità”.

Investire in Tecnologia Spintronics

Everspin Technologies (MRAM ) utilizza attivamente la rotazione degli elettroni invece della carica per memorizzare i dati. È un importante sviluppatore di soluzioni di memoria di accesso casuale magnetoresistiva (MRAM), un tipo di RAM non volatile che memorizza i dati in domini magnetici.

MRAM utilizza la magnetismo della rotazione di un elettrone per fornire non-volatilità e memorizza le informazioni in materiale magnetico integrato con la circuiteria al silicio per offrire la non-volatilità di Flash e la velocità di SRAM in un dispositivo. 

I suoi prodotti tecnologici MRAM includono Toggle MRAM, che fornisce una memoria semplice e ad alta densità con Everspin utilizzando un design di cella Toggle brevettato per offrire alta affidabilità. Il suo altro prodotto è Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), che utilizza la manipolazione della rotazione degli elettroni con una corrente polarizzante per stabilire lo stato magnetico desiderato di MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Con un capitale di mercato di 150 milioni di dollari, le azioni MRAM sono attualmente scambiate a 6,68 dollari, in aumento del 4,54% YTD. Il suo EPS (TTM) è -0,01 e il P/E (TTM) è -451,35.

Per il primo trimestre chiuso al 31 marzo 2025, la società ha segnalato un ricavo totale di 13,1 milioni di dollari. Le vendite dei suoi prodotti MRAM, comprese sia le entrate Toggle che STT-MRAM, sono state di 11 milioni di dollari. I ricavi da licenze, royalties, brevetti e altri sono stati di 2,1 milioni di dollari.

Durante questo periodo, il margine lordo è stato del 51,4%, le spese operative GAAP sono state di 8,7 milioni di dollari, la perdita netta GAAP è stata di 1,2 milioni di dollari o di (0,05) dollari per azione diluita, e il reddito netto non GAAP è stato di 0,4 milioni di dollari o di 0,02 dollari per azione diluita.

I contanti e i loro equivalenti alla fine del trimestre sono aumentati a 42,2 milioni di dollari.

Quest’anno, Everspin ha anche ottenuto un contratto dall’Università di Purdue per utilizzare il suo MRAM come base per un programma chiamato CHEETA (CMOS+MRAM Hardware per l’Intelligenza Artificiale Efficient in termini Energetici).Il suo PERSYST MRAM, nel frattempo, è stato convalidato per la configurazione su tutti i FPGA Lattice Semiconductor (LSCC ).

All’inizio di quest’anno, la società ha annunciato due nuovi prodotti come parte della sua famiglia Orion xSPI, con un intervallo di temperatura automobilistico per esigenze di memoria persistenti ad alta velocità in ambienti estremi. 

“Ci aspettiamo che i nostri clienti esistenti e nuovi utilizzino i prodotti e la tecnologia MRAM robusti di Everspin in applicazioni critiche per la missione attraverso design win e programmi strategici di radiazione dura per applicazioni di memoria e FPGA.” 

– Aggarwal

Ultime notizie e sviluppi azionari di Everspin Technologies (MRAM)

Conclusione

Con ogni nuovo studio, i ricercatori scoprono cosa gli scienziati non riuscivano a fare per anni. L’ultimo studio fa esattamente questo trasformando i segnali ottici deboli in una chiara presenza magnetica, creando un nuovo modo per sondaggio non invasivo della rotazione degli elettroni. Inoltre, hanno rivelato che ciò che un tempo appariva come rumore in realtà codifica ricche informazioni di orbita-spin e che può potenzialmente trasformare la progettazione spintronica, la memoria magnetica e le tecnologie quantistiche, portando a dispositivi più efficienti in termini di energia e a una maggiore capacità di archiviazione dei dati.

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Riferimenti:

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 tecnica MOKE e di effetto Hall ottico sensibile alle lunghezze d’onda visibili: approfondimenti sull’ammortamento di Gilbert. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Pubblicato online il 17 luglio 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. Effetti di Hall non lineari giganti e di rettificazione wireless a temperatura ambiente nel semiconduttore elementare Tellurio. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Pubblicato online il 29 giugno 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Effetto di Hall orbitale gigante dovuto agli stati bulk degli isolanti topologici 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Pubblicato online il 3 giugno 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. Sfruttamento dell’effetto di Hall orbitale nella memoria MRAM a torca spin-orbita. Nature Communications, 16, 130 (2025). Pubblicato online il 2 gennaio 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x