Laser revela magnetismo oculto em metais do dia a dia

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

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

Esses tênues efeitos magnéticos, que mais se assemelham a "sussurros", em materiais não magnéticos eram anteriormente indetectáveis por razões óbvias; eram simplesmente muito pequenos. Mas agora, isso mudou. Esses efeitos são mensuráveis, Divulgando novos padrões de comportamento dos elétrons que foram escondido até este estudo.

Com esta descoberta, os cientistas transformaram completamente como investigamos o magnetismo em materiais do cotidiano, sem fios ou instrumentos volumosos. Esta poderia 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 no revista Nature Communications¹, o estudo detalhes a nova maneira de identificar minúsculos sinais magnéticos em metais como ouro (Au), cobre (Cu), alumínio (Al), tântalo (Ta) e platina (Pt).

O processo de coisa ou seja, sabemos há muito tempo que as correntes elétricas se curvam em um campo magnético, que é o efeito Hall. Este efeito é particularmente forte e bem conhecido em materiais magnéticos como ferro, mas quando se trata de metais comuns e 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 a luz e os campos magnéticos interagem. 

Mas isso é em teoria, já que em comprimentos de onda visíveis, o efeito OHE é sutil demais para ser detectado pelos cientistas. So, enquanto we sabe que o efeito existe, faltam-nos as ferramentas para realmente medi-lo.

"Era 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 explicou o Prof. Capua, acredita-se que esses metais, como cobre e ouro, sejam "magneticamente 'silenciosos'". Por exemplo, esses materiais, ouro e cobre, não grudam na geladeira como o ferro. "Mas, na realidade, sob as condições certas, eles respondem a campos magnéticos — só que de maneiras extremamente sutis", acrescentou. E sempre foi um desafio observar esses efeitos tênues.

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

Para isso, eles recorreram a uma técnica chamada efeito Kerr magneto-óptico (MOKE) e a aprimoraram. Sob o método MOKE, um laser é usado para medir como o magnetismo afeta a direção da luz.

O estudo observa que, como o efeito Hall anômalo (EHA) observado em ferromagnetos (materiais como ferro, níquel ou cobalto com alinhamento paralelo de momentos atômicos de longo alcance, resultando em magnetização líquida espontânea) é muito mais forte do que o efeito Hall comum (EHO), o efeito Hall óptico é muito mais fraco do que o efeito Kerr magneto-óptico (MOKE). Ele é tão fraco que dificilmente pode ser detectado na luz visível.

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

Os pesquisadores combinaram isso com um laser azul de 440 nm, o que lhes permitiu para aumentar significativamente a sensibilidade da técnica. Como resultado, eles foram capazes de detectar os “ecos” magnéticos em metais não magnéticos, o que foi anteriormente 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

Medições de Hall são uma técnica fundamental na pesquisa de materiais e na física do estado sólido. O efeito Hall permite nos permite estudar materiais em escala atômica e descubra quantos elétrons estão localizadas em um metal. É crucial para preencher a lacuna entre a pesquisa fundamental e as aplicações práticas.

No entanto, medir o efeito é tradicionalmente um processo complicado e demorado, especialmente quando se trabalha com componentes realmente pequenos, na escala nanométrica.. Para isso, os cientistas têm para primeiro conectar os fios ao dispositivo, mas não mais.

A nova abordagem é muito simples; basta um laser para ser brilhado no dispositivo elétrico.

Como observou o Prof. Capua, mesmo Edwin Hall, que descobriu o efeito Hall, não obteve sucesso ao tentar medi-lo usando um feixe de luz. Como Hall resumiu na frase final de seu artigo em 1881:

“Acho que, se a ação da prata tivesse sido um décimo tão forte quanto a do ferro, o efeito teria sido detectado. Nenhum efeito foi observado. " 

Mas, nas pesquisas mais recentes, os cientistas de fato observaram o efeito “ao sintonizar a frequência certa e saber onde procurar”, disse o Prof. Capua. 

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

Uma análise ainda mais aprofundada ajudou a equipe a descobrir que o que parecia ser um "ruído" aleatório em seu sinal não era tão aleatório assim, mas tinha um significado e um padrão claros. 

O padrão seguido estava relacionado ao acoplamento spin-órbita (SOC). Esta propriedade quântica conecta como os elétrons se movem para como eles spin, que afeta a maneira como a energia magnética se dissipa nos materiais. 

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

"É como descobrir que a estática no rádio não é apenas interferência — é alguém sussurrando informações valiosas. Agora estamos usando a luz para 'ouvir' essas mensagens ocultas dos elétrons."

- Candidato a doutorado Nadav Am Shalom da Universidade Hebraica

A nova técnica oferece, na verdade, uma ferramenta não invasiva e altamente sensível para explorar o magnetismo em metais, sem exigir ímãs enormes ou condições criogênicas. 

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

BUT isto é todos os só o começo, com as o estudo falando ampliando o espectro de materiais em trabalhos futuros. Esta 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 informações importantes sobre os mecanismos de ruído e sustentar uma compreensão mais profunda de sua origem”, afirmou o estudo.

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

Expandindo o Efeito Hall com Novas Possibilidades

Ao longo do último ano, pesquisadores continuaram a estudar técnicas de efeito Hall, expandindo os limites do possível. Com base em medições elétricas clássicas de Hall, os cientistas estão descobrindo novos regimes, sinalizando uma mudança transformadora. 

Esta inclui o descoberta² de efeitos Hall não lineares significativos (NLHE) à temperatura ambiente em telúrio (Te). O efeito é uma resposta de segunda ordem a uma corrente alternada (CA) aplicada que gera sinais de segundo harmônico sem a necessidade de um campo magnético externo. 

NLHE, um novo membro da família do efeito Hall, foi recebendo muito por WhatsApp. por causa de Está uso possível em dispositivos de duplicação e retificação de frequência. No entanto, desafios como baixas temperaturas de trabalho e baixas tensões de saída de Hall limitaram suas aplicações práticas. 

Assim, um equipe de pesquisa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) procurou sistemas que mostrar notável NLHE em materiais semicondutores. Eles então olhou para a resposta não linear do telúrio, um elemento quebradiço e raro que tem uma cadeia helicoidal unidimensional. Sua estrutura carece inerentemente de simetria de inversão, o que torna o Te o candidato perfeito.

Quando eles testaram flocos finos de telúrio (Te), descobriram efeitos Hall não lineares consideráveis à temperatura ambiente. A uma temperatura de 300 K, a saída máxima do segundo harmônico, entretanto poder ir uma ordem de magnitude maior que recordes anteriores, até 2.8 mV.

Em um mergulho mais profundo, o NLHE observou nos finos flocos de telúrio foi encontrado ser principalmente o resultado de espalhamento extrínseco. Aqui, a quebra da simetria da superfície da estrutura desempenhou um papel crucial.

Com base no que. , Corrente AC foi substituído por sinais de radiofrequência (RF) que percebeu retificação de RF sem fio em flocos finos de Te e retificação estável alcançada Voltagem saída 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 Universidade de New South Wales se concentraram nos estados em massa dos isolantes topológicos, Bi2Se3 e Sb2Te3, e encontrado³ que o torque orbital de Hall domina o torque de Hall de spin para uma conversão eficiente de corrente de carga em corrente de spin.

Os estados em massa dão origem a 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. 

Observou também que a otimização da orbital para girar A conversão em dispositivos de torque de spin TI (isoladores topológicos) é fundamental para ter controle mais eficiente sobre a magnetização, mas que. exigirá técnicas avançadas e ferromagnetos específicos. 

Enquanto isso, pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg mostrou⁴ an uso eficiente da condutividade orbital Hall aprimorada das camadas de Cr, Nb e Ru juntamente com uma camada ferromagnética magnetizada perpendicularmente para dispositivos de memória magnética de acesso aleatório (MRAM) de torque spin-órbita (SOT). 

Os dispositivos SOT-MRAM prometem melhor desempenho, não volatilidade e eficiência de energia em comparação à RAM estática. Para obter longa retenção de dados e comutação de magnetização eficiente nesses dispositivos, nós necessidade ferromagnetos com anisotropia magnética perpendicular (PMA) combinada com grandes torques aumentou pelo Efeito Hall Orbital (OHE). 

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

Os resultados mostram uma melhoria de 30% na eficiência de torque e uma redução de 60% na potência de comutação, destacando o "potencial promissor de alavancar o efeito Hall orbital aprimorado para impulsionar o desempenho da próxima geração de dispositivos SOT MRAM para aplicações de memória cache compactada de alta densidade".

Investindo em tecnologia spintrônica

Tecnologias Everspin (MRAM ) utiliza ativamente o spin do elétron em vez da carga para armazenar dados. É líder no desenvolvimento de soluções de memória de acesso aleatório magnetoresistiva (MRAM), um tipo de RAM não volátil que armazena dados em domínios magnéticos.

MRAM utiliza um elétron magnetismo do spin para fornecer não volatilidade e lojas informações em material magnético integrado com circuitos de silício para fornecer a não volatilidade do Flash e a velocidade do SRAM em um dispositivo. 

Seus produtos de tecnologia MRAM incluem Toggle MRAM, que fornece uma memória simples e de alta densidade com as Giro eterno utilizando 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.

Tecnologias Everspin (MRAM )

Com uma capitalização de mercado de US$ 150 milhões, as ações da MRAM estão sendo negociadas atualmente a US$ 6.68, uma alta de 4.54% no acumulado do ano. Seu lucro por ação (TTM) é de -0.01 e o P/L (TTM) é de -451.35.

No primeiro trimestre encerrado em 31 de março de 2025, a empresa reportou uma receita total de US$ 13.1 milhões. As vendas de produtos MRAM, incluindo a receita do Toggle e do STT-MRAM, foram de US$ 11 milhões. A receita com licenciamento, royalties, patentes e outros foi de US$ 2.1 milhões.

Durante esse período, a margem bruta foi de 51.4%, as despesas operacionais GAAP foram de US$ 8.7 milhões, o prejuízo líquido GAAP foi de US$ 1.2 milhão ou US$ (0.05) por ação diluída, e o lucro líquido não GAAP foi de US$ 0.4 milhão ou US$ 0.02 por ação diluída.

O caixa e equivalentes de caixa no final do trimestre aumentaram para US$ 42.2 milhões.

Este ano, a Everspin também garantiu um contrato com a Universidade Purdue para utilizar seu MRAM como sustentação em um programa chamado CHEETA (Hardware CMOS+MRAM para Energia eficiente IA). Enquanto isso, seu PERSYST MRAM foi validado para configuração em todos os FPGAs da Lattice Semiconductor.

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 persistentes e de alta velocidade em ambientes extremos. 

“Esperamos que nossos clientes atuais e novos implantem os robustos produtos e a tecnologia MRAM da Everspin em tais aplicações de missão crítica por meio de vitórias em design e programas Strategic Radiation Hard para aplicações de memória e FPGA.” 

– Aggarwal

Últimas notícias e desenvolvimentos sobre ações da Everspin Technologies (MRAM)

Conclusão

Com cada novo estudo, os pesquisadores descobrem o que os cientistas não poderia por anos. O mais recente faz exatamente isso by girando o sinais ópticos fracos em uma presença magnética clara, criando um novo maneira pela não invasivo sondagem de spin de elétrons. Além disso, eles revelaram que o que antes parecia ruído na verdade codifica informações ricas spin-órbita INFORMAÇÕES e que pode potencialmente transformar o design espintrônico, a memória magnética e as tecnologias quânticas, levando a dispositivos mais eficientes em termos de energia e maior capacidade de armazenamento de dados.

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Referências:

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburgo, N.; Vinnicombe, H.; Ilg, C.; Foldes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfredo, A.; Bromley, ST; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, DR; Styles, MD; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. Uma técnica de MOKE sensível e efeito Hall óptico em comprimentos de onda visíveis: insights sobre o amortecimento de Gilbert. Natureza das Comunicações, 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. Hall não linear gigante e efeitos de retificação sem fio à temperatura ambiente no telúrio semicondutor elementar. Natureza das Comunicações, 15, 5513 (2024). Publicado online em 29 de junho de 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, JH; Liu, H.; Culcer, D. Efeito Hall orbital gigante devido aos estados em massa de isolantes topológicos 3D. npj Spintrônica, 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.; Klaui, M.; Jacob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, MB; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, SSP Aproveitando o Efeito Hall Orbital em MRAM de Torque Spin-Orbit. Natureza das Comunicações, 16, 130 (2025). Publicado online em 2 de janeiro de 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x