Laser Revela Magnetismo Oculto em Metais do Cotidiano

O mundo da tecnologia está avançando rapidamente, com pesquisadores fazendo descobertas todos os dias. Na semana passada, cientistas publicaram seu trabalho, que quebrou um antigo mistério da física.

Realizado por pesquisadores da Universidade Hebraica em colaboração com a Pennsylvania State University e a University of Manchester, o estudo detectou sinais magnéticos sutis em metais que normalmente não são magnéticos, usando apenas luz e um método de laser modificado.

Esses efeitos magnéticos fracos, que são mais como “sussurros”, em materiais não magnéticos eram anteriormente indetectáveis por razões óbvias; eram simplesmente muito pequenos. Mas agora, isso mudou. Esses efeitos são mensuráveis, revelando novos padrões de comportamento dos elétrons que estavam ocultos até este estudo.

Com esta descoberta, os cientistas transformaram completamente como investigamos o magnetismo em materiais cotidianos, sem fios ou instrumentos volumosos. Isso pode até abrir caminhos para armazenamento de memória, computação quântica e eletrônicos menores, mais rápidos e mais avançados.

Desvendando a Resposta Magnética Sutil em Metais ‘Silenciosos’

Publicado na revista Nature Communications¹, o estudo detalha uma nova maneira de identificar pequenos sinais magnéticos em metais como ouro (Au), cobre (Cu), alumínio (Al), tântalo (Ta) e platina (Pt).

O fato é que já sabemos há muito tempo que correntes elétricas se curvam em um campo magnético, o que é o efeito Hall. Esse efeito é particularmente forte e bem conhecido em materiais magnéticos como o ferro, mas quando se trata de metais comuns não magnéticos como o ouro, o efeito é bastante fraco.

O efeito Hall óptico (OHE), um fenômeno relacionado, deve ajudar a visualizar o comportamento dos elétrons quando luz e campos magnéticos interagem. 

Mas isso é apenas teoria, pois em comprimentos de onda visíveis, o efeito OHE é muito sutil para os cientistas detectarem. Portanto, enquanto nós sabemos que o efeito existe, nos faltam as ferramentas para realmente medi-lo.

“Foi como tentar ouvir um sussurro em uma sala barulhenta por décadas. Todos sabiam que o sussurro estava lá, mas não tínhamos um microfone sensível o suficiente para ouvi-lo.”

– Professor Amir Capua do Instituto de Engenharia Elétrica e Física Aplicada da Universidade Hebraica

Como o Prof. Capua explicou, esses metais, como cobre e ouro, são considerados “magneticamente ‘silenciosos’”. Por exemplo, esses materiais, ouro e cobre, não aderem à geladeira como o ferro. “Mas na realidade, sob as condições corretas, eles respondem a campos magnéticos — apenas de maneiras extremamente sutis”, acrescentou. E sempre foi um desafio observar esses efeitos fracos.

Então, em colaboração com outras universidades, os pesquisadores passaram a investigar apenas como detectar esses realmente pequenos efeitos magnéticos em materiais que não são magnéticos. 

Para isso, recorreram a uma técnica chamada efeito Kerr magneto-óptico (MOKE) e a aprimoraram. No método MOKE, um laser é usado para medir como o magnetismo afeta a direção da luz.

The study notes that, because the anomalous Hall effect (AHE) observed in ferromagnets (materials like iron, nickel, or cobalt with long-range, parallel alignment of atomic moments resulting in spontaneous net magnetization) is much stronger than the ordinary Hall effect (OHE), the optical Hall effect is much weaker than the magneto-optical Kerr effect (MOKE). It is so weak that it can hardly be detected in visible light.

Portanto, a razão para alterar a técnica MOKE. Os pesquisadores apresentaram a técnica MOKE, que se baseia na modulação de grande amplitude do campo magnético aplicado externamente. Para isso, usaram ímãs permanentes colocados em um disco giratório.

Os pesquisadores combinaram isso com um laser azul de 440 nm, o que lhes permitiu aumentar significativamente a sensibilidade da técnica. Como resultado, conseguiram detectar os “ecos” magnéticos em metais não magnéticos, o que era antes quase impossível de alcançar. O estudo observou:

“A sensibilidade superior da técnica abre caminho para a descoberta de novos fenômenos e aplicações, como a determinação óptica da interação spin-órbita.” 

Eco Óptico Revela Sinais Magnéticos Ocultos em Metais

Medidas Hall são uma técnica chave na pesquisa de materiais e na física do estado sólido. O efeito Hall nos permite estudar materiais em escala atômica e descobrir quantos elétrons há em um metal. É crucial para fechar a lacuna entre pesquisa fundamental e aplicações práticas.

No entanto, medir o efeito é tradicionalmente um processo complicado e demorado, especialmente ao trabalhar com componentes realmente pequenos, em escala nanométrica. Para isso, os cientistas precisavam primeiro conectar fios ao dispositivo, mas não mais.

A nova abordagem é muito simples; ela só precisa de um laser para ser direcionado ao dispositivo elétrico.

Como o Prof. Capua observou, até Edwin Hall, que descobriu o efeito Hall, não teve sucesso ao tentar medir o efeito usando um feixe de luz. Como Hall resumiu na frase final de seu artigo em 1881:

“Eu penso que, se a ação da prata fosse um décimo tão forte quanto a do ferro, o efeito teria sido detectado. Nenhum efeito desse tipo foi observado.” 

Mas na pesquisa mais recente, os cientistas, de fato, observaram o efeito “sintonizando na frequência correta — e sabendo onde procurar,” disse o Prof. Capua. 

Com isso, a equipe “encontrou uma maneira de medir o que antes se pensava ser invisível,” acrescentou o Prof. Capua, “Esta pesquisa transforma um problema científico de quase 150 anos em uma nova oportunidade.”

Ao aprofundar ainda mais, a equipe descobriu que o que parecia ser um ‘ruído’ aleatório em seu sinal não era tão aleatório, mas tinha um significado claro e um padrão. 

O padrão observado estava relacionado ao acoplamento spin-órbita (SOC). Essa propriedade quântica conecta como os elétrons se movem ao seu spin, o que afeta a forma como a energia magnética se dissipa nos materiais. 

Os novos insights obtidos têm implicações diretas e significativas para o design de dispositivos spintrônicos, memória magnética e sistemas quânticos.

“É como descobrir que o estático em um rádio não é apenas interferência — é alguém sussurrando informações valiosas. Agora estamos usando luz para ‘ouvir’ essas mensagens ocultas dos elétrons.”

– candidata a Ph.D. Nadav Am Shalom da Universidade Hebraica

A nova técnica realmente oferece uma ferramenta não invasiva e altamente sensível para explorar o magnetismo em metais, sem a necessidade de ímãs massivos ou condições criogênicas. 

A simplicidade e precisão da técnica também podem ajudar engenheiros a construir sistemas mais eficientes em energia, processadores mais rápidos e sensores com alta precisão.

Mas isso é tudo apenas o começo, com o estudo falando sobre ampliar o espectro de materiais em trabalhos futuros. Isso inclui metais adicionais, filmes multicamadas, semicondutores e materiais topológicos e 2D. 

Além disso, uma “medição dependente da temperatura é de particular interesse, pois pode oferecer insights chave sobre os mecanismos de ruído e sustentar uma compreensão mais profunda de sua origem,” afirmou o estudo.

Clique aqui para aprender como lasers podem transformar materiais não magnéticos em magnéticos.

Expandindo o Efeito Hall com Novas Possibilidades

No último ano, os pesquisadores continuaram a investigar técnicas do efeito Hall, ampliando os limites do que é possível. Baseando-se nas medições elétricas clássicas do efeito Hall, os cientistas estão descobrindo novos regimes, sinalizando uma mudança transformadora. 

Isso inclui a descoberta² de efeitos Hall não lineares (NLHE) significativos em temperatura ambiente no telúrio (Te). O efeito é uma resposta de segunda ordem a uma corrente alternada (AC) aplicada que gera sinais de segunda harmônica sem necessidade de um campo magnético externo. 

NLHE, um novo membro da família do efeito Hall, tem recebido muita atenção por causa de seu possível uso em dispositivos de duplicação de frequência e retificação. No entanto, desafios como baixas temperaturas de operação e baixas tensões Hall limitam suas aplicações práticas. 

Então, uma equipe de pesquisa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) procurou sistemas que apresentem NLHE notável em materiais semicondutores. Eles então investigaram a resposta não linear do telúrio, um elemento frágil e raro que possui uma cadeia helicoidal unidimensional. Sua estrutura carece intrinsecamente de simetria de inversão, o que torna o Te o candidato perfeito.

Quando testaram finas lâminas de telúrio (Te), descobriram efeitos Hall não lineares consideráveis em temperatura ambiente. A 300 K, a saída de segunda harmônica máxima pode ser uma ordem de magnitude maior que registros anteriores, chegando a 2,8 mV.

Ao aprofundar a análise, o NLHE observado nas finas lâminas de telúrio foi encontrado como sendo principalmente resultado de espalhamento extrínseco. Aqui, a quebra da simetria da superfície da estrutura desempenhou um papel crucial.

Com base nisto, a corrente AC foi substituída por sinais de radiofrequência (RF) que possibilitaram retificação RF sem fio em finas lâminas de Te e alcançaram saída de tensão retificada estável em uma faixa de 0,3 a 4,5 GHz. Dessa forma, o estudo abre novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos avançados.

Recentemente, pesquisadores da University of New South Wales focaram nos estados de volume de isolantes topológicos, Bi2Se3 e Sb2Te3, e descobriram³ que o torque Hall orbital domina o torque Hall de spin para uma conversão eficiente de corrente de carga em corrente de spin.

Os estados de volume geram um OHE considerável, até 3 ordens de magnitude maior que o SHE, em isolantes topológicos, em parte devido ao momento angular orbital de cada elétron de condução ser maior que seu spin. 

Também foi observado que otimizar a conversão orbital para spin em dispositivos de torque de spin de TI (isolantes topológicos) é fundamental para ter um controle mais eficiente sobre a magnetização, mas isso exigirá técnicas avançadas e ferromagnéticos específicos. 

Enquanto isso, pesquisadores da Johannes Gutenberg University mostraram⁴  um uso eficiente da condutividade Hall orbital aprimorada de camadas de Cr, Nb e Ru junto com uma camada ferromagnética magnetizada perpendicularmente para dispositivos de Memória de Acesso Aleatório Magnética (MRAM) de Torque Spin-Órbita (SOT). 

Dispositivos SOT‑MRAM prometem melhor desempenho, não volatilidade e eficiência energética comparados à RAM estática. Para alcançar retenção de dados prolongada e comutação magnética eficiente nesses dispositivos, precisamos de ferromagnéticos com anisotropia magnética perpendicular (PMA) combinados com torques elevados aumentados pelo Efeito Hall Orbital (OHE). 

Assim, a equipe projetou um FM PMA (Co/Ni)3 em camadas OHE selecionadas e investigou o potencial da condutividade Hall orbital (OHC).

Os resultados mostram uma melhoria de 30 % na eficiência do torque e uma redução de 60 % no consumo de energia de comutação, destacando o “potencial promissor de aproveitar o efeito Hall orbital aprimorado para impulsionar o desempenho da próxima geração de dispositivos SOT‑MRAM para aplicações de memória cache de alta densidade.”

Investindo em Tecnologia Spintrônica

Everspin Technologies (MRAM ) usa ativamente o spin do elétron em vez da carga para armazenar dados. É um desenvolvedor líder de soluções de memória magnética de acesso aleatório (MRAM), um tipo de RAM não volátil que armazena dados em domínios magnéticos.

MRAM usa o magnetismo do spin do elétron para proporcionar não volatilidade e armazena informações em material magnético integrado com circuitos de silício para oferecer a não volatilidade do Flash e a velocidade da SRAM em um único dispositivo. 

Seus produtos de tecnologia MRAM incluem o Toggle MRAM, que fornece uma memória simples e de alta densidade com a Everspin usando um design patenteado de célula Toggle para oferecer alta confiabilidade. Seu outro produto é o Spin-transfer Torque MRAM (STT‑MRAM), que usa a manipulação do spin dos elétrons com uma corrente polarizadora para estabelecer o estado magnético desejado do MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Com uma capitalização de mercado de US$ 150 milhões, as ações da MRAM estão atualmente negociando a US$ 6,68, alta de 4,54 % no ano. Seu EPS (TTM) é -0,01, e o P/E (TTM) é -451,35.

Para o primeiro trimestre encerrado em 31 de março de 2025, a empresa reportou receita total de US$ 13,1 milhões. As vendas de produtos MRAM, incluindo tanto a receita de Toggle quanto de STT‑MRAM, foram US$ 11 milhões. A receita de licenciamento, royalties, patentes e outros foi US$ 2,1 milhões.

Durante este período, a margem bruta foi de 51,4 %, as despesas operacionais GAAP foram US$ 8,7 milhões, o prejuízo líquido GAAP foi de US$ 1,2 milhão ou $(0,05) por ação diluída, e o lucro líquido non‑GAAP foi de US$ 0,4 milhão ou $0,02 por ação diluída.

O caixa e equivalentes de caixa ao final do trimestre aumentaram para US$ 42,2 milhões.

Este ano, a Everspin também garantiu um contrato da Purdue University para utilizar sua MRAM como base em um programa chamado CHEETA (Hardware CMOS+MRAM para IA de Eficiência Energética). Seu PERSYST MRAM, por sua vez, foi validado para configuração em todos os FPGAs da Lattice Semiconductor (LSCC ).

No início deste ano, a empresa anunciou dois novos produtos como parte de sua família Orion xSPI, apresentando uma faixa de temperatura automotiva para requisitos de memória persistente e de alta velocidade em ambientes extremos. 

“Esperamos que nossos clientes existentes e novos implantem os robustos produtos e tecnologia MRAM da Everspin em aplicações críticas de missão através de vitórias de design e programas estratégicos de resistência à radiação para aplicações de memória e FPGA.” 

– Aggarwal

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Everspin Technologies (MRAM)

Conclusão

Com cada novo estudo, os pesquisadores descobrem o que os cientistas não conseguiam há anos. O mais recente faz exatamente isso ao transformar os fracos sinais ópticos em uma presença magnética clara, criando uma nova maneira de sondar o spin dos elétrons de forma não‑invasiva. Além disso, eles revelaram que o que antes parecia ruído realmente codifica informações ricas de spin‑órbita e que pode potencialmente transformar o design spintrônico, a memória magnética e as tecnologias quânticas, levando a dispositivos mais eficientes em energia e maior capacidade de armazenamento de dados.

Clique aqui para aprender como a descoberta de memória Ni₄W permitirá comutação sem ímã.

Referências:

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. Uma Técnica Sensível de MOKE e Efeito Hall Óptico em Comprimentos de Onda Visíveis: Insights sobre o Amortecimento Gilbert. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Publicado online em 17 de julho de 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. Efeitos Hall Não Lineares Gigantes e Retificação Sem Fio em Temperatura Ambiente no Semicondutor Elementar Telúrio. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publicado online em 29 de junho de 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Efeito Hall orbital gigante devido aos estados de volume de isolantes topológicos 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publicado online em 3 de junho de 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. Aproveitando o Efeito Hall Orbital em MRAM de Torque Spin‑Órbita. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publicado online em 2 de janeiro de 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x