Laser onthult verborgen magnetisme in alledaagse metalen

De wereld van technologie ontwikkelt zich razendsnel, met onderzoekers die elke dag ontdekkingen doen. Nog vorige week publiceerden wetenschappers hun werk, dat een oud natuurkundig mysterie ontrafelde.

Uitgevoerd door onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit in samenwerking met de Pennsylvania State University en de Universiteit van Manchester, detecteerde de studie subtiele magnetische signalen in metalen die normaal niet magnetisch zijn, met alleen licht en een aangepaste lasermethode.

Deze zwakke magnetische effecten, die meer op “fluisteringen” lijken, in niet-magnetische materialen waren voorheen om voor de hand liggende redenen ondetecteerbaar; ze waren gewoon te klein. Maar nu is dat veranderd. Deze effecten zijn meetbaar, onthullend nieuwe patronen van elektronengedrag die waren verborgen tot deze studie.

Met deze ontdekking hebben wetenschappers volledig getransformeerd hoe we magnetisme onderzoeken in alledaagse materialen, zonder draden of omvangrijke instrumenten. Dit zou zelfs nieuwe wegen kunnen openen naar geheugensopslag, kwantumcomputing en kleinere, snellere en geavanceerdere elektronica.

Het ontrafelen van de subtiele magnetische respons in ‘stille’ metalen

Gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications¹, de studie beschrijft een nieuwe manier om kleine magnetische signalen in metalen zoals goud (Au), koper (Cu), aluminium (Al), tantaal (Ta) en platina (Pt).

Het ding is, we hebben al lang weten dat elektrische stromen buigen in een magnetisch veld, wat het Hall-effect. Dit effect is bijzonder sterk en bekend in magnetische materialen zoals ijzer, maar bij gewone, niet-magnetische metalen zoals goud is het effect tamelijk zwak.

Het optische Hall-effect (OHE), een verwant fenomeen, zou moeten helpen het gedrag van elektronen te visualiseren wanneer licht en magnetische velden interageren. 

Maar dat is in theorie, want bij zichtbare golflengten is het OHE-effect veel te subtiel voor wetenschappers om te detecteren. Dus, terwijl we weten dat het effect aanwezig is, we missen de gereedschappen om het daadwerkelijk te meten.

“Het was alsof je decennialang een fluistering probeerde te horen in een rumoerige kamer. Iedereen wist dat de fluistering er was, maar we hadden geen microfoon die gevoelig genoeg was om het te horen.”

– Professor Amir Capua van het Institute of Electrical Engineering and Applied Physics aan de Hebreeuwse Universiteit

Zoals Prof. Capua uitlegt, worden deze metalen, zoals koper en goud, beschouwd als “magnetisch ‘stil’”. Bijvoorbeeld, deze materialen, goud en koper, blijven niet aan de koelkast plakken zoals ijzer dat doet. “Maar in werkelijkheid reageren ze onder de juiste omstandigheden op magnetische velden—maar dan op uiterst subtiele wijze,” voegde hij toe. En het is altijd een uitdaging geweest om deze zwakke effecten waar te nemen.

Dus, in samenwerking met andere universiteiten, gingen de onderzoekers onderzoeken precies hoe deze echt kleine magnetische effecten in materialen die niet magnetisch zijn. 

Hiervoor wendden ze zich tot een techniek genaamd magneto-optisch Kerr-effect (MOKE) en verbeterden die. Onder de MOKE-methode wordt een laser gebruikt om te meten hoe magnetisme de richting van het licht beïnvloedt.

De studie merkt op dat, omdat het anomalie Hall-effect (AHE) dat wordt waargenomen in ferromagneten (materialen zoals ijzer, nikkel of kobalt met langafstand, parallelle uitlijning van atomaire momenten die resulteren in spontane netto magnetisatie) veel sterker is dan het gewone Hall-effect (OHE), het optische Hall-effect veel zwakker is dan het magneto-optisch Kerr-effect (MOKE). Het is zo zwak dat het nauwelijks kan worden gedetecteerd in zichtbaar licht.

Daarom de reden om de MOKE-techniek aan te passen. De onderzoekers presenteerden de MOKE-techniek, die gebaseerd is op de groot-amplitude modulatie van het extern aangebrachte magnetische veld. Hiervoor gebruikten ze permanente magneten geplaatst op een roterende schijf.

De onderzoekers combineerden dit met een blauwe laser van 440 nm, wat hen in staat stelde de gevoeligheid van de techniek aanzienlijk te verhogen. Als gevolg hiervan konden ze de magnetische “echo’s” in niet-magnetische metalen detecteren, wat was voorheen nauwelijks mogelijk te realiseren. De studie merkte op:

“De superieure gevoeligheid van de techniek effent de weg naar de ontdekking van nieuwe fenomenen en toepassingen, zoals een optische bepaling van de spin-orbit interactie.” 

Optisch Echo onthult verborgen magnetische signalen in metalen

Hall-metingen zijn een sleuteltechniek in materiaalkunde en vaste-stoffysica. Het Hall-effect stelt ons in staat materialen te bestuderen op atomair niveau en te ontdekken hoeveel elektronen zijn in een metaal. Het is cruciaal om de kloof tussen fundamenteel onderzoek en praktische toepassingen te overbruggen.

Het meten van het effect is traditioneel een lastig en tijdrovend proces, vooral bij componenten die echt klein zijn, op nanometerschaal. Hiervoor moeten wetenschappers eerst draden aan het apparaat bevestigen, maar niet meer.

De nieuwe aanpak is zeer eenvoudig; hij heeft alleen een laser nodig om op het elektrische apparaat te schijnen op het elektrische apparaat.

Zoals Prof. Capua opmerkte, zelfs Edwin Hall, die het Hall-effect ontdekte, had geen succes toen hij probeerde het effect te meten met een lichtstraal. Zoals Hall samenvatte in de slotzin van zijn artikel uit 1881:

“Ik denk dat, als de werking van zilver een tiende zo sterk was als die van ijzer, het effect zou zijn gedetecteerd. Een dergelijk effect werd niet waargenomen.” 

Maar in het nieuwste onderzoek hebben de wetenschappers het effect daadwerkelijk waargenomen “door af te stemmen op de juiste frequentie—en te weten waar te zoeken,” zei Prof. Capua. 

Daarmee heeft het team “een manier gevonden om te meten wat ooit als onzichtbaar werd beschouwd,” voegde Prof. Capua toe, “Dit onderzoek verandert een bijna 150 jaar oud wetenschappelijk probleem in een nieuwe kans.”

Dieper graven hielp het team ontdekken dat wat leek op een willekeurige ‘ruis’ in hun signaal toch niet zo willekeurig was, maar een duidelijke betekenis en patroon had. 

Het gevolgde patroon hield verband met spin-orbit koppeling (SOC). Deze kwantumeigenschap verbindt hoe elektronen bewegen met hoe ze spinnen, wat de manier beïnvloedt waarop magnetische energie in materialen dissipereert. 

De nieuwe verkregen inzichten hebben directe en significante implicaties voor het ontwerpen van spintronicatoestellen, magnetisch geheugen en kwantumsystemen.

“Het is alsof je ontdekt dat ruis op een radio niet alleen interferentie is—het is iemand die waardevolle informatie fluistert. We gebruiken nu licht om naar deze verborgen boodschappen van elektronen te ‘luisteren’.”

– Ph.D. kandidaat Nadav Am Shalom van de Hebreeuwse Universiteit

De nieuwe techniek biedt eigenlijk een niet-invasieve, zeer gevoelige tool voor het verkennen van magnetisme in metalen, zonder dat er massieve magneten of cryogene omstandigheden nodig zijn. 

De eenvoud en precisie van de techniek kunnen ingenieurs ook helpen om energie-efficiëntere systemen, snellere processoren en sensoren met hoge nauwkeurigheid te bouwen.

Maar dit is allemaal slechts het begin, met de studie die spreekt over het verbreden van het spectrum van materialen in toekomstig werk. Dit omvat extra metalen, meerlagige films, halfgeleiders, en topologische en 2D-materialen. 

Ook is een “temperatuursafhankelijke meting van bijzonder belang, omdat het belangrijke inzichten kan bieden in de ruismechanismen en een dieper begrip van hun oorsprong kan onderbouwen,” stelde de studie.

Klik hier om te leren hoe lasers niet-magnetische materialen magnetisch kunnen maken.

Uitbreiding van het Hall-effect met nieuwe mogelijkheden

In het afgelopen jaar hebben onderzoekers de Hall-effecttechnieken blijven onderzoeken, waarbij ze de grenzen van het mogelijke verleggen. Op basis van klassieke elektrische Hall-metingen ontdekken wetenschappers nieuwe regimes, wat wijst op een transformatieve verschuiving. 

Dit omvat de ontdekking² van significante niet-lineaire Hall-effecten (NLHE) bij kamertemperatuur in telluur (Te). Het effect is een tweede-orde respons op een aangelegde wisselstroom (AC) die tweede-harmonische signalen genereert zonder een extern magnetisch veld. 

NLHE, een nieuw lid van de Hall-effectfamilie, heeft veel aandacht omdat zijn potentiële toepassingen in frequentiedubbelings- en rectificatieapparaten. Uitdagingen zoals lage werktemperaturen en lage Hall-spanningsoutput hebben echter de praktische toepassingen beperkt.

Dus, een onderzoeksteam van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) zocht naar systemen die een opmerkelijke NLHE vertonen in halfgeleidermaterialen. Ze vervolgens keken naar de niet-lineaire respons van telluur, een bros en zeldzaam element dat heeft een een-dimensionale helicale keten. Zijn structuur mist van nature inversiesymmetrie, waardoor Te de perfecte kandidaat is.

Toen ze dunne schilfers van telluur (Te) testten, ontdekten ze aanzienlijke niet-lineaire Hall-effecten bij kamertemperatuur. Bij een temperatuur van 300 K was de maximale tweede-harmonische output ondertussen kan gaan een orde van grootte hoger dan eerdere records, tot wel 2,8 mV.

Bij een diepere duik bleek het NLHE waargenomen in de dunne schilfers van telluur werd gevonden om voornamelijk het resultaat te zijn van extrinsische verstrooiing. Hier speelde het breken van de oppervlaktensymmetrie van de structuur een cruciale rol.

Gebaseerd op dat, de AC-stroom werd vervangen door radiofrequentie (RF) signalen die realiseerden draadloze RF-rectificatie in dunne Te-schilfers en bereikten een stabiele gerectificeerde spanning output over een bereik van 0,3 tot 4,5 GHz. Op deze manier opent de studie nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van geavanceerde elektronische apparaten.

Recentelijk richtten onderzoekers van de University of New South Wales zich op de bulktoestanden van topologische isolatoren, Bi2Se3 en Sb2Te3, en vonden³ dat het orbitale Hall-koppel de spin Hall-koppel domineert voor een efficiënte omzetting van ladingsstroom naar spinstroom.

De bulktoestanden veroorzaken een aanzienlijke OHE, tot 3 orders van grootte groter dan de SHE, in topologische isolatoren, deels doordat het orbitale impulsmoment van elk geleidend elektron groter is dan zijn spin. 

Er werd ook opgemerkt dat het optimaliseren van de orbitale naar spin conversie in TI (topologische isolatoren) spin-torque apparaten is de sleutel tot het hebben van meer efficiënte controle over magnetisatie, maar dat geavanceerde technieken en specifieke ferromagneten zal vereisen. 

Ondertussen richtten onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit toonden⁴ een efficiënte toepassing van de verbeterde orbitale Hall-geleiding van Cr-, Nb- en Ru-lagen langs met een loodrecht gemagnetiseerde ferromagnetische laag voor Spin-Orbit Torque (SOT) Magnetisch Random-Access Memory (MRAM) apparaten. 

SOT-MRAM-apparaten beloven betere prestaties, niet-volatiliteit en energie-efficiëntie vergeleken met statisch RAM. Om lange gegevensretentie en efficiënte magnetisatie-schakeling in deze apparaten te bereiken, moeten we nodig hebben ferromagneten met loodrechte magnetische anisotropie (PMA) gecombineerd met grote koppel verhoogd door het orbitale Hall-effect (OHE). 

Dus ontwierp het team een PMA (Co/Ni)3 FM op geselecteerde OHE-lagen en onderzocht het potentieel van orbitale Hall-geleiding (OHC).

De resultaten tonen een verbetering van 30% in koppel efficiëntie en een vermindering van 60% in schakelkracht, wat de “veelbelovende potentie van het benutten van het verbeterde orbitale Hall-effect om de prestaties van de volgende generatie SOT-MRAM-apparaten voor high-density cache-geheugentoepassingen te stimuleren” benadrukt.

Investeren in spintronica-technologie

Everspin Technologies (MRAM ) maakt actief gebruik van het elektronspin in plaats van lading om gegevens op te slaan. Het is een toonaangevende ontwikkelaar van magnetoresistieve random-access geheugen (MRAM) oplossingen, een type niet-vluchtig RAM dat gegevens opslaat in magnetische domeinen.

MRAM gebruikt een elektron spinmagnetisme om niet-volatiliteit te bieden en slaat informatie op in magnetisch materiaal geïntegreerd met siliciumcircuitry om de niet-volatiliteit van Flash en de snelheid van SRAM te leveren in één apparaat. 

De MRAM-technologieproducten omvatten Toggle MRAM, die een eenvoudig, hoog-dichtheid geheugen biedt met Everspin gebruikt een gepatenteerd Toggle-celontwerp om hoge betrouwbaarheid te bieden. Het andere product is Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), dat de manipulatie van het spin van elektronen met een polariserende stroom gebruikt om de gewenste magnetische toestand van MTJ te vestigen.

Everspin Technologies (MRAM )

Met een marktkapitalisatie van $150 miljoen, worden MRAM-aandelen momenteel verhandeld tegen $6,68, een stijging van 4,54% YTD. De EPS (TTM) is -0,01, en de P/E (TTM) is -451,35.

Voor het eerste kwartaal eindigend op 31 maart 2025 rapporteerde het bedrijf een totale omzet van $13,1 miljoen. De MRAM-productverkopen, inclusief zowel Toggle- als STT-MRAM-omzet, bedroegen ondertussen $11 miljoen. De inkomsten uit licenties, royalty’s, patenten en andere bronnen waren $2,1 miljoen.

Gedurende deze periode was de brutomarge 51,4%, de GAAP operationele kosten $8,7 miljoen, het GAAP nettoverlies $1,2 miljoen of $(0,05) per verwaterde aandeel, en het non-GAAP netto-inkomen $0,4 miljoen of $0,02 per verwaterde aandeel.

Contanten en kasequivalenten aan het einde van het kwartaal stegen tot $42,2 miljoen.

Dit jaar heeft Everspin ook een contract met Purdue University veiliggesteld om haar MRAM te gebruiken als de basis in een programma genaamd CHEETA (CMOS+MRAM hardware voor energie-efficiënte AI). Haar PERSYST MRAM werd ondertussen gevalideerd voor configuratie over alle Lattice Semiconductor (LSCC ) FPGAs.

Eerder dit jaar kondigde het bedrijf twee nieuwe producten aan als onderdeel van de Orion xSPI-familie, met een autogebiedtemperatuurbereik voor persistente, hoge-snelheidsgeheugeneisen in extreme omgevingen. 

“We verwachten dat onze bestaande en nieuwe klanten Everspin’s robuuste MRAM-producten en -technologie inzetten in dergelijke missie-kritieke toepassingen via designwins en strategische stralingsharde programma’s voor geheugen- en FPGA-toepassingen.” 

– Aggarwal

Laatste Everspin Technologies (MRAM) aandelen nieuws en ontwikkelingen

Conclusie

Met elke nieuwe studie ontdekken onderzoekers wat wetenschappers niet konden gedurende jaren. De nieuwste doet precies dat door de zwakke optische signalen om te zetten in een duidelijke magnetische aanwezigheid, waardoor een nieuwe manier voor niet-invasieve elektronspinonderzoek. Bovendien hebben ze onthuld dat wat ooit als ruis leek, eigenlijk rijke spin‑orbit informatie en dat potentieel spintronic-ontwerp, magnetisch geheugen en kwantumtechnologieën kan transformeren, wat leidt tot energie-efficiëntere apparaten en verbeterde gegevensopslagcapaciteit.

Klik hier om te leren hoe de Ni₄W-geheugen doorbraak magnetvrije schakeling mogelijk maakt.

Referenties:

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. Een gevoelige MOKE- en optische Hall-effect techniek bij zichtbare golflengten: Inzichten in de Gilbert-demping. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Gepubliceerd op 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. Gigantische niet-lineaire Hall- en draadloze rectificatie-effecten bij kamertemperatuur in het elementaire halfgeleider telluur. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Gepubliceerd op online 29 juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Gigantisch orbitale Hall-effect door de bulktoestanden van 3D topologische isolatoren. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Gepubliceerd op online 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. Het benutten van het orbitale Hall-effect in Spin-Orbit Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Gepubliceerd op online 2 januari 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x