Laser avslører skjult magnetisme i hverdagsmetaller

Teknologiverden utvikler seg raskt, med forskere som gjør oppdagelser hver dag. Bare forrige uke publiserte vitenskapsfolk sitt arbeid, som løste et gammelt fysikkmysterium.

Gjennomført av forskere fra Hebrew University i samarbeid med Pennsylvania State University og University of Manchester, oppdaget studien subtile magnetiske signaler i metaller som vanligvis ikke er magnetiske, kun ved hjelp av lys og en modifisert lasermetode.

Disse svake magnetiske effektene, som er mer som “hviskinger”, i ikke‑magnetiske materialer har tidligere vært uoppdagbare av åpenbare grunner; de var bare for små. Men nå har det endret seg. Disse effektene er målbare, og avslører nye mønstre i elektroners oppførsel som var skjult frem til denne studien.

Med denne oppdagelsen har forskere fullstendig forvandlet hvordan vi undersøker magnetisme i hverdagsmaterialer, uten ledninger eller klumpete instrumenter. Dette kan til og med åpne veier inn i minnelagring, kvanteberegning, og mindre, raskere, og mer avansert elektronikk.

Avdekke den subtile magnetiske responsen i ‘stille’ metaller

Publisert i tidsskriftet Nature Communications¹, beskriver studien en ny måte å identifisere små magnetiske signaler i metaller som gull (Au), kobber (Cu), aluminium (Al), tantal (Ta) og platina (Pt).

Saken er at vi lenge har visst at elektriske strømmer bøyes i et magnetisk felt, som er Hall‑effekten. Denne effekten er spesielt sterk og velkjent i magnetiske materialer som jern, men når det gjelder vanlige, ikke‑magnetiske metaller som gull, er effekten ganske svak.

Den optiske Hall‑effekten (OHE), et beslektet fenomen, bør hjelpe med å visualisere elektroners oppførsel når lys og magnetiske felt interagerer.

Men det er i teorien, da OHE‑effekten ved synlige bølgelengder er altfor subtil for forskere å oppdage. Så , selv om vi vet at effekten er der, mangler vi verktøyene for å faktisk måle den.

«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 sensitiv nok til å høre den.»

– Professor Amir Capua fra Institutt for elektroteknikk og anvendt fysikk ved Hebrew University

Som professor Capua forklarte, blir disse metallene, som kobber og gull, antatt å være “magnetisk stille”. For eksempel fester disse materialene, gull og kobber, seg ikke til kjøleskapet som jern gjør. “Men i virkeligheten, under de rette forholdene, responderer de på magnetiske felt – bare på ekstremt subtile måter,” la han til. Og det har alltid vært en utfordring å observere disse svake effektene.

Så, i samarbeid med andre universiteter, fortsatte forskerne med å undersøke akkurat hvordan man kan oppdage disse virkelig små magnetiske effektene i materialer som ikke er magnetiske.

For dette vendte de seg til en teknikk kalt magneto‑optisk Kerr‑effekt (MOKE) og oppgraderte den. Under MOKE‑metoden brukes en laser til 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 langdistanse, parallell justering av atomiske momenter som resulterer i spontan netto‑magnetisering) er mye sterkere enn den ordinære 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 endret de MOKE‑teknikken. Forskerne presenterte MOKE‑teknikken, som er basert på stor‑amplitudemodulering av det eksternt påførte magnetfeltet. For dette brukte de permanente magneter plassert på en roterende skive.

Forskerne kombinerte dette med en 440 nm blå laser, som gjorde det mulig å øke følsomheten til teknikken betydelig. Som et resultat klarte de å oppdage de magnetiske “ekkene” i ikke‑magnetiske metaller, noe som tidligere var nesten umulig å oppnå. Studien bemerket:

«Den overlegne følsomheten til teknikken baner vei for oppdagelse av nye fenomener og anvendelser som en optisk bestemmelse av spin‑orbital‑interaksjonen.»

Optisk ekko avslører skjulte magnetiske signaler i metaller

Hall‑målinger er en viktig teknikk i materialforskning og faststofffysikk. Hall‑effekten gjør det mulig for oss å studere materialer på atomskala og finne ut nøyaktig hvor mange elektroner som finnes i et metall. Den er avgjørende for å bygge bro mellom grunnforskning og praktiske anvendelser.

Imidlertid er måling av effekten tradisjonelt en vanskelig og tidkrevende prosess, spesielt når man arbeider med komponenter som er svært små, på nanometerskala. For dette har forskere tidligere måttet feste ledninger til enheten, men ikke lenger.

Den nye tilnærmingen er veldig enkel; den trenger bare en laser som skinner på den elektriske enheten.

Som professor Capua bemerket, selv Edwin Hall, som oppdaget Hall‑effekten, hadde ingen suksess da han prøvde å måle effekten med en lysstråle. Som Hall oppsummerte i avslutningssetningen i sin artikkel i 1881:

«Jeg tror at hvis sølvets handling hadde vært en tiendedel så sterk som jernets, ville effekten blitt oppdaget. En slik effekt ble ikke observert.»

Men i den nyeste forskningen har vitenskapsfolk faktisk observert effekten “ved å justere til 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 antatt usynlig,” la professor Capua til, “Denne forskningen gjør et nesten 150 år gammelt vitenskapelig problem til en ny mulighet.”

Å se enda dypere hjalp teamet med å finne at det som så ut som tilfeldig “støy” i signalet deres ikke var så tilfeldig likevel, men hadde en klar mening og et mønster.

Mønsteret var relatert til spin‑orbital‑kobling (SOC). Denne kvanteegenskapen knytter hvordan elektroner beveger seg til hvordan de spinner, noe som påvirker hvordan magnetisk energi dissiperes i materialer.

De nye innsiktene har direkte og betydelige implikasjoner for design av spinntronic‑enheter, magnetisk minne og kvantesystemer.

«Det er som å oppdage at 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.»

– Ph.D.-kandidat Nadav Am Shalom fra Hebrew University

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.

Enkelheten og presisjonen i teknikken kan også hjelpe ingeniører med å bygge mer energieffektive systemer, raskere prosessorer og sensorer med høy nøyaktighet.

Men dette er bare begynnelsen, med studien som snakker om å utvide spekteret av materialer i fremtidig arbeid. Dette inkluderer flere metaller, flerlagede filmer, halvledere, samt topologiske og 2D‑materialer.

I tillegg er en “temperaturavhengig måling av spesiell interesse, da den kan gi viktig innsikt i støymekanismer og legge til grunn en dypere forståelse av deres opprinnelse,” uttalte studien.

Klikk her for å lære hvordan lasere kan gjøre ikke‑magnetiske materialer magnetiske.

Utvide Hall‑effekten med nye muligheter

Det siste året har forskere fortsatt å undersøke Hall‑effekt‑teknikker, og presset grensene for hva som er mulig. Byggende på klassiske elektriske Hall‑målinger, avdekker forskere nye regime, som signaliserer en transformativ endring.

Dette inkluderer oppdagelsen av betydelige ikke‑lineære Hall‑effekter (NLHE) ved romtemperatur i tellur (Te). Effekten er en andre‑ordens respons på en påført vekselstrøm (AC) som genererer andre‑harmoniske signaler uten behov for et eksternt magnetisk felt. oppdagelse²

NLHE, et nytt medlem av Hall‑effekt‑familien, har fått mye oppmerksomhet på grunn av sin mulige bruk i frekvensdobling og likeretnings‑enheter. Utfordringer som lave driftstemperaturer og lave Hall‑spenningsutganger har imidlertid begrenset de praktiske anvendelsene.

Dermed søkte et forskerteam fra University of Science and Technology of China (USTC) ved Chinese Academy of Sciences (CAS) etter systemer som viser bemerkelsesverdig NLHE i halvledermaterialer. De undersøkte deretter den ikke‑lineære responsen til tellur, et sprøtt og sjeldent element som har en én‑dimensjonal helikal kjede. Dens struktur mangler iboende inversjonssymmetri, noe som gjør Te til en perfekt kandidat.

Da de testet tynne flak av tellur (Te), oppdaget de betydelige ikke‑lineære Hall‑effekter ved romtemperatur. Ved en temperatur på 300 K kan den maksimale andre‑harmoniske utgangen gå en størrelsesorden høyere enn tidligere rekorder, opptil 2,8 mV.

Ved en dypere analyse ble NLHE observert i de tynne flakene av tellur funnet å hovedsakelig skyldes ekstrinsisk spredning. Her spilte bruddet av strukturens overflatesymmetri en avgjørende rolle.

Basert på dette ble AC‑strømmen erstattet av radiofrekvens‑ (RF‑) signaler som realiserte trådløs RF‑likeretning i Te‑tynne flak og oppnådde stabil likeretnings‑spenning over et område fra 0,3 til 4,5 GHz. På denne måten åpner studien opp for nye muligheter for utvikling av avanserte elektroniske enheter.

Nylig fokuserte forskere fra University of New South Wales på bulk‑tilstandene til topologiske insulatorer, Bi2Se3 og Sb2Te3, og fant at orbital‑Hall‑torgen dominerer spin‑Hall‑torgen for en effektiv konvertering av ladningsstrøm til spinnstrøm.

Bulk‑tilstandene gir opphav til en betydelig OHE, opptil 3 størrelsesordener større enn SHE, i topologiske insulatorer, delvis på grunn av at den orbital‑angulære momentet til hver ledningselektron er større enn dens spinn.

Den bemerket også at optimalisering av orbital‑til‑spinn‑konvertering i TI‑spinntorg‑enheter er nøkkelen til mer effektiv kontroll over magnetisering, men dette vil kreve avanserte teknikker og spesifikke ferromagneter.

I mellomtiden viste forskere fra Johannes Gutenberg University en effektiv bruk av den forbedrede orbital‑Hall‑ledningskapasiteten til Cr-, Nb- og Ru‑lag sammen med et perpendikulært 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 magnetiserings‑bytting i disse enhetene, trenger vi ferromagneter med perpendikulær magnetisk anisotropi (PMA) kombinert med store dreiemoment økt av Orbital Hall Effect (OHE).

Dermed designet teamet en PMA (Co/Ni)3 FM på utvalgte OHE‑lag og undersøkte potensialet for orbital Hall‑ledningskapasitet (OHC).

Resultatene viser en 30 % forbedring i dreiemoment‑effektivitet og en 60 % reduksjon i bytte‑effekt, og fremhever det «lovende potensialet i å utnytte den forbedrede orbital‑Hall‑effekten for å drive ytelsen til neste generasjons SOT‑MRAM‑enheter for høy‑tetthets cache‑minne‑applikasjoner.»

Investere i spintronikk‑teknologi

Everspin Technologies (MRAM ) bruker aktivt elektronspinn i stedet for ladning for å lagre data. Det er en ledende utvikler av magnetoresistiv tilfeldig tilgangsminne (MRAM)-løsninger, en type ikke‑flyktig RAM som lagrer data i magnetiske domener.

MRAM bruker magnetismen til et elektronspinn for å gi ikke‑flyktighet og lagrer informasjon i magnetisk materiale integrert med silisium‑kretsløp for å levere Flash‑ikke‑flyktighet og SRAM‑hastighet i én enhet.

MRAM‑teknologiproduktene inkluderer Toggle MRAM, som gir et enkelt, høy‑tetthets minne med Everspin som bruker en patentert Toggle‑celle‑design for høy pålitelighet. Det andre produktet er Spin‑transfer Torque MRAM (STT‑MRAM), som bruker manipulering av elektronspinn med en polariserende strøm for å etablere ønsket magnetisk tilstand i MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Med en markedsverdi på $150 millioner, handles MRAM‑aksjene for øyeblikket til $6,68, opp 4,54 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -0,01, og P/E (TTM) er -451,35.

For første kvartal som sluttet 31. mars 2025, rapporterte selskapet en total omsetning på $13,1 millioner. MRAM‑produktomsetningen, inkludert både Toggle‑ og STT‑MRAM‑inntekter, var samtidig $11 millioner. Inntekter fra lisensiering, royalties, patenter og annet var $2,1 millioner.

I denne perioden var bruttofortjenesten 51,4 %, GAAP‑driftskostnader var $8,7 millioner, GAAP‑netto tap var $1,2 millioner eller $(0,05) per utvannet aksje, og non‑GAAP‑nettoinntekt var $0,4 millioner eller $0,02 per utvannet aksje.

Kontanter og kontantekvivalenter ved kvartalets slutt økte til $42,2 millioner.

I år sikret Everspin også en kontrakt fra Purdue University for å bruke sin MRAM som grunnlag i et program kalt CHEETA (CMOS+MRAM‑maskinvare for energieffektiv AI). Dens PERSYST MRAM ble samtidig validert for konfigurasjon på tvers av alle Lattice Semiconductor (LSCC ) FPGA‑er.

Tidligere i år kunngjorde selskapet to nye produkter som en del av sin Orion xSPI‑familie, med et bil‑temperaturområde for vedvarende, høyhastighets‑minnek krav i ekstreme miljøer.

«Vi forventer at våre eksisterende og nye kunder vil implementere Everspins robuste MRAM‑produkter og -teknologi i slike kritiske applikasjoner gjennom design‑gevinster og strategiske strålings‑harde programmer for minne‑ og FPGA‑applikasjoner.»

– Aggarwal

Siste nyheter og utviklinger for Everspin Technologies (MRAM) aksjer

Konklusjon

Med hver ny studie avdekker forskere det vitenskapsfolk ikke har kunnet i årevis. Den siste gjør nettopp dette ved å omdanne de svake optiske signalene til en klar magnetisk tilstedeværelse, og skaper en ny metode for ikke‑invasiv probing av elektronspinn. Videre har de vist at det som tidligere så ut som støy faktisk koder rik spin‑orbital‑informasjon, og dette kan potensielt transformere spinntronic‑design, magnetisk minne og kvanteteknologi, noe som fører til mer energieffektive enheter og forbedret datalagringskapasitet.

Klikk her for å lære hvordan Ni₄W‑minnegjennombruddet vil muliggjøre magnetfri switching.

Referanser:

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. En sensitiv MOKE‑ og optisk Hall‑effekt‑teknikk ved synlige bølgelengder: Innsikt i Gilbert‑dempingen. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Publisert online 17. juli 2025. https://www.securities.io/field-free-magnetization-memory-tech/
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. Gigantiske ikke‑lineære Hall‑ og trådløse likeretnings‑effekter ved romtemperatur i det elementære halvledermaterialet tellur. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publisert online 29. juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Gigantisk orbital Hall‑effekt på grunn av bulk‑tilstandene i 3D‑topologiske insulatorer. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publisert online 3. juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-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. Utnytte orbital Hall‑effekt i Spin‑Orbit‑Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publisert online 2. januar 2025. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y