Laser avslører skjult magnetisme i hverdagsmetaller

Teknologiens verden utvikler seg raskt, og forskere gjør oppdagelser hver dag. Bare forrige uke publiserte forskere arbeidet sitt, som løste et gammelt fysikkmysterium.

Studien, som ble utført av forskere fra Hebrew University i samarbeid med Pennsylvania State University og University of Manchester, oppdaget subtile magnetiske signaler i metaller som normalt ikke er magnetiske, kun ved bruk av lys og en modifisert lasermetode.

Disse svake magnetiske effektene, som er mer som «hvisking», i ikke-magnetiske materialer har tidligere vært uoppdagelige av åpenbare grunner; de var rett og slett for små. Men nå har det endret seg. Disse effektene er målbare, avslørende nye mønstre av elektronoppførsel som var skjult frem til denne studien.

Med denne oppdagelsen har forskere fullstendig forvandlet hvordan vi undersøker magnetisme i hverdagsmaterialer, uten ledninger eller store instrumenter. Dette kunne til og med åpner veier inn i minnelagring, kvantedatamaskin og mindre, raskere og mer avansert elektronikk.

Avdekker den subtile magnetiske responsen i «stille» metaller

Publisert i tidsskriftet Nature Communications¹, studien detaljer a ny måte å identifisere små på magnetiske signaler i metaller i likhet med gull (Au), kobber (Cu), aluminium (Al), tantal (Ta) og platina (Pt).

Ocuco ting er, vi har lenge visst at elektriske strømmer bøyer seg i et magnetfelt, som er Hall-effekten. Denne effekten er spesielt sterk og velkjent i magnetiske materialer. i likhet med jern, men når det gjelder vanlige, ikke-magnetiske metaller som gull, er effekten ganske svak.

Den optiske Hall-effekten (OHE), et beslektet fenomen, skal bidra til å visualisere elektronenes oppførsel. når lys og magnetfelt samhandler. 

Men det er i teorien, ettersom OHE-effekten ved synlige bølgelengder er altfor subtil til at forskere kan oppdage den. So, mens we vet at effekten er det, vi mangler verktøyene å faktisk måle det.

«Det var som å prøve å høre en hvisking i et støyende rom i flere tiår. Alle visste at hviskingen var der, men vi hadde ikke en mikrofon som var følsom nok til å høre den.»

– Professor Amir Capua fra Institutt for elektroteknikk og anvendt fysikk ved Det hebraiske universitetet

Som professor Capua forklarte, antas disse metallene, som kobber og gull, å være «magnetisk 'stille'». For eksempel fester ikke disse materialene, gull og kobber, seg til kjøleskapet slik jern gjør. «Men i virkeligheten, under de rette forholdene, reagerer de på magnetfelt – bare på ekstremt subtile måter», la han til. Og det har alltid vært en utfordring å observere disse svake effektene.

Så, i I samarbeid med andre universiteter fortsatte forskerne å undersøke bare hvordan man oppdager disse virkelig små magnetiske effekter i materialer som ikke er magnetiske. 

For dette formålet brukte de en teknikk kalt magneto-optisk Kerr-effekt (MOKE) og oppgraderte den. Med MOKE-metoden ble en laser brukt. benyttes å måle hvordan magnetisme påvirker lysets retning.

Studien bemerker at fordi den anomale Hall-effekten (AHE) observert i ferromagneter (materialer som jern, nikkel eller kobolt med langtrekkende, parallell justering av atommomenter som resulterer i spontan nettomagnetisering) er mye sterkere enn den vanlige Hall-effekten (OHE), er den optiske Hall-effekten mye svakere enn den magneto-optiske Kerr-effekten (MOKE). Den er så svak at den knapt kan oppdages i synlig lys.

Derfor er det grunnen til å endre MOKE-teknikken. Forskerne presenterte MOKE-teknikken, som er basert på stor amplitude modulering av det eksternt påførte magnetfeltet. Til dette brukte de permanente magneter plassert på en roterende skive.

Forskerne kombinerte dette med en 440 nm blå laser, som tillot dem for å øke teknikkens følsomhet betydelig. Som et resultat var de i stand til å oppdage magnetiske «ekkoer» i ikke-magnetiske metaller, som var tidligere sånn ca umulig å oppnå. Studien bemerket:

«Teknikkens overlegne følsomhet baner vei for oppdagelsen av nye fenomener og anvendelser, som for eksempel optisk bestemmelse av spinn-bane-interaksjonen.» 

Optisk ekko avslører skjulte magnetiske signaler i metaller

Hallmålinger er en nøkkelteknikk innen materialforskning og faststoffysikk. Hall-effekten tillater oss til å studere materialer på atomnivå og finn ut akkurat hvor mange elektroner er i et metall. Det er avgjørende for å bygge bro mellom grunnleggende forskning og praktiske anvendelser.

Det er imidlertid tradisjonelt sett vanskelig og tidkrevende å måle effekten, spesielt når man arbeider med komponenter som er veldig små, på nanometerskala.. For dette har forskere å først koble ledningene til enheten, men ikke nå lenger.

Den nye tilnærmingen er veldig enkel; den trenger bare en laser for å bli skinnende på det elektriske apparatet.

Som professor Capua bemerket, hadde selv Edwin Hall, som oppdaget Hall-effekten, ingen suksess da han forsøkte å måle effekten ved hjelp av en lysstråle. Som Hall oppsummerte i den avsluttende setningen i artikkelen sin tilbake i 1881:

«Jeg tror at hvis sølvets virkning hadde vært en tiendedel så sterk som jernets,» effekten ville blitt oppdagetIngen slik effekt var observert». 

Men i den nyeste forskningen har forskerne faktisk observert effekten «ved å stille inn på riktig frekvens – og vite hvor de skal lete», sa professor Capua. 

Med det har teamet «funnet en måte å måle det som en gang ble ansett som usynlig», la professor Capua til. «Denne forskningen gjør et nesten 150 år gammelt vitenskapelig problem om til en ny mulighet.»

Ved å undersøke enda dypere oppdaget teamet at det som så ut til å være en tilfeldig «støy» i signalet deres, ikke var så tilfeldig likevel, men hadde en klar betydning og et mønster. 

Mønsteret som ble fulgt var relatert til spinn-bane-kobling (SOC). Denne kvanteegenskapen forbinder hvordan elektroner beveger seg til hvordan de spinn, som påvirker måten magnetisk energi forsvinner i materialer. 

Den nye innsikten som er oppnådd har direkte og betydelige implikasjoner for design av spintroniske enheter, magnetisk minne og kvantesystemer.

«Det er som å oppdage at statisk støy på en radio ikke bare er interferens – det er noen som hvisker verdifull informasjon. Vi bruker nå lys til å «lytte» til disse skjulte meldingene fra elektroner.»

- Doktorgradskandidat Nadav Am Shalom fra Det hebraiske universitetet

Den nye teknikken tilbyr faktisk et ikke-invasivt, svært følsomt verktøy for å utforske magnetisme i metaller, uten å kreve massive magneter eller kryogene forhold. 

Teknikkens enkelhet og presisjon kan også hjelpe ingeniører med å bygge mer energieffektive systemer, raskere prosessorer og sensorer med høy nøyaktighet.

Men dette er alle bare begynnelsen, med studien snakker om utvide materialspekteret i fremtidig arbeid. Dette inkluderer ytterligere metaller, flerlagsfilmer, halvledere og topologiske og 2D-materialer. 

I tillegg er en «temperaturavhengig måling av spesiell interesse, da den kan gi viktig innsikt i støymekanismene og underbygge en dypere forståelse av deres opprinnelse», heter det i studien.

Klikk her for å lære hvordan lasere kan gjøre ikke-magnetiske materialer om til magnetiske.

Utvider Hall-effekten med nye muligheter

I løpet av det siste året har forskere fortsatt å undersøke Hall-effektteknikker og flytte grensene for hva som er mulig. Ved å bygge på klassiske elektriske Hall-målinger avdekker forskere nye regimer, noe som signaliserer et transformativt skifte. 

Dette inkluderer Funnet² av signifikante ikke-lineære Hall-effekter (NLHE) ved romtemperatur i tellur (Te). Effekten er en andreordens respons på en påført vekselstrøm (AC) som genererer andreharmoniske signaler uten behov for en eksternt magnetfelt. 

NLHE, et nytt medlem av Hall-effektfamilien, har blitt får mye av oppmerksomhet pga dens mulig bruk i frekvensdoblings- og likeretterenheter. Utfordringer som lave arbeidstemperaturer og lave hallspenningsutganger har imidlertid begrenset de praktiske anvendelsene. 

Så, a et forskerteam fra University of Science and Technology of China (USTC) ved Det kinesiske vitenskapsakademiet (CAS) lette etter systemer som Vis bemerkelsesverdig NLHE i halvledermaterialer. De da sett nærmere på den ikke-lineære responsen til tellur, et sprøtt og sjeldent grunnstoff som har en endimensjonal spiralkjede. Strukturen mangler iboende inversjonssymmetri, noe som gjør Te til den perfekte kandidaten.

Da de testet tynne flak av tellur (Te), oppdaget de betydelige ikke-lineære Hall-effekter ved romtemperatur. Ved en temperatur på 300 K, den maksimale andreharmoniske utgangen i mellomtiden kan gå en størrelsesorden høyere enn tidligere rekorder, så høyt som 2.8 mV.

Ved et dypere dykk observerte NLHE i de tynne flakene av tellur ble funnet hovedsakelig å være et resultat av ytre spredning. Her spilte bruddet på strukturens overflatesymmetri en avgjørende rolle.

Basert på Detden AC strøm ble erstattet av radiofrekvenssignaler (RF) som innså trådløs RF-likerettering i Te tynne flak og oppnådd stabil likerettering spenning utgang over et område på 0.3 til 4.5 GHz. På denne måten åpner studien opp nye muligheter for utvikling av avanserte elektroniske enheter.

Nylig fokuserte forskere fra University of New South Wales på hovedtilstandene til topologiske isolatorer, Bi₂Se₃ og Sb₂Te₃, og funnet³ at det orbitale Hall-momentet dominerer spinn-Hall-momentet for en effektiv konvertering av ladestrøm til spinnstrøm.

Bulktilstandene gir opphav til en betydelig OHE, opptil 3 størrelsesordener større enn SHE, i topologiske isolatorer, delvis på grunn av at det orbitale vinkelmomentet til hvert ledningselektron er større enn spinnet. 

Den bemerket også at optimalisering av orbital å spinne Konvertering i TI (topologiske isolatorer) spinnmomentenheter er nøkkelen til å ha mer effektiv kontroll over magnetisering, men Det vil kreve avanserte teknikker og spesifikke ferromagneter. 

I mellomtiden har forskere fra Johannes Gutenberg-universitetet viste⁴ an effektiv bruk av den forbedrede orbitale Hall-ledningsevnen til Cr-, Nb- og Ru-lagene langs med et vinkelrett magnetisert ferromagnetisk lag for Spin-Orbit Torque (SOT) Magnetic Random-Access Memory (MRAM)-enheter. 

SOT-MRAM-enheter lover bedre ytelse, ikke-flyktighet og energieffektivitet sammenlignet med statisk RAM. For å oppnå lang datalagring og effektiv magnetiseringsbytte i disse enhetene, har vi trenge ferromagneter med vinkelrett magnetisk anisotropi (PMA) kombinert med store dreiemomenter økt ved orbital Hall-effekt (OHE). 

Så designet teamet en PMA (Co/Ni)3 FM på utvalgte OHE-lag og undersøkte potensialet for orbital Hall-ledningsevne (OHC).

Resultatene viser en forbedring på 30 % i dreiemomenteffektivitet og en reduksjon på 60 % i svitsjeeffekt, noe som fremhever det «lovende potensialet ved å utnytte den forbedrede orbitale Hall-effekten for å drive ytelsen til neste generasjons SOT MRAM-enheter for applikasjoner med høy tetthet og pakket hurtigbufferminne.»

Investering i spintronikkteknologi

Everspin Technologies (MRAM ) bruker aktivt elektronspinn i stedet for ladning til å lagre data. Det er en ledende utvikler av magnetoresistive MRAM-løsninger (random access memory), en type ikke-flyktig RAM som lagrer data i magnetiske domener.

MRAM bruker et elektron spinns magnetisme å sørge for ikke-volatilitet og butikker informasjon i magnetisk materiale integrert med silisiumkretser for å levere den ikke-flyktige Flash-opplevelsen og hastigheten til SRAM i en enhet. 

MRAM-teknologiproduktene deres inkluderer Toggle MRAM, som gir et enkelt minne med høy tetthet. med Everspin ved hjelp av en patentert vekslecelledesign for å tilby høy pålitelighet. Det andre produktet er Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), som bruker manipulering av elektronenes spinn med en polariserende strøm for å etablere den ønskede magnetiske tilstanden til MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Med en markedsverdi på 150 millioner dollar handles MRAM-aksjer for tiden til 6.68 dollar, en økning på 4.54 % hittil i år. Resultat per aksje (EPS) (TTM) er -0.01, og P/E (TTM) er -451.35.

For første kvartal som ble avsluttet 31. mars 2025, rapporterte selskapet en total omsetning på 13.1 millioner dollar. Salget av MRAM-produkter, inkludert både Toggle- og STT-MRAM-inntekter, var derimot 11 millioner dollar. Inntekter fra lisensiering, royalties, patenter og annet var 2.1 millioner dollar.

I løpet av denne perioden var bruttomarginen 51.4 %, driftskostnadene i henhold til GAAP var 8.7 millioner dollar, nettotapet i henhold til GAAP var 1.2 millioner dollar eller (0.05) dollar per utvannet aksje, og nettoinntekten i henhold til ikke-GAAP var 0.4 millioner dollar eller 0.02 dollar per utvannet aksje.

Kontanter og kontantekvivalenter ved utgangen av kvartalet økte til 42.2 millioner dollar.

I år sikret Everspin seg også en kontrakt fra Purdue University om å bruke MRAM-en deres som underbygge i et program som heter CHEETA (CMOS+MRAM-maskinvare for Energieffektiv AI). PERSYST MRAM ble i mellomtiden validert for konfigurasjon på tvers av alle Lattice Semiconductor FPGA-er.

Tidligere i år annonserte selskapet to nye produkter som en del av Orion xSPI-familien, med et biltemperaturområde for vedvarende krav til høyhastighetsminne i ekstreme miljøer. 

«Vi forventer at våre eksisterende og nye kunder vil distribuere Everspins robuste MRAM-produkter og -teknologi i slike forretningskritiske applikasjoner gjennom designvinnere og strategiske strålingshardhetsprogrammer for minne- og FPGA-applikasjoner.» 

– Aggarwal

Siste nyheter og utvikling for Everspin Technologies (MRAM)-aksjer

Konklusjon

Med hver ny studie avdekker forskere hva forskere kunne ikke i mange år. Den siste gjør nettopp det by snu svake optiske signaler til en klar magnetisk tilstedeværelse, og skaper en ny måte forum ikke-invasiv elektronspinn-probing. Dessuten har de avslørt at det som en gang fremsto som støy, faktisk koder for rike spinnbane informasjon og at kan potensielt transformere spintronisk design, magnetisk minne og kvanteteknologier, noe som fører til mer energieffektive enheter og forbedret datalagringskapasitet.

Klikk her for å lære hvordan et gjennombrudd innen Ni₄W-minne vil muliggjøre magnetfri svitsjering.

Referanser:

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Illg, C.; Földes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfrey, A.; Bromley, ST; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, DR; Stiles, MD; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. En sensitiv MOKE- og optisk Hall-effektteknikk ved synlige bølgelengder: Innsikt i Gilbert-demping. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Publisert på nett 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. Giant ikke-lineær hall og trådløse rettingseffekter ved romtemperatur i elementært halvledertellur. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publisert på nett 29. juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, JH; Liu, H.; Culcer, D. Kjempeorbital Hall-effekt på grunn av bulktilstandene til 3D topologiske isolatorer. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publisert på nett 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, MB; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, SSP utnytter Orbital Hall Effect i Spin-Orbit Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publisert på nett 2. januar 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x