Лазер обнаруживает скрытый магнетизм в обычных металлах

Мир технологий стремительно развивается, и исследователи каждый день совершают открытия. Только на прошлой неделе ученые опубликовали свою работу, которая разгадал старую тайну физики.

Исследование, проведенное учеными из Еврейского университета в сотрудничестве с Университетом штата Пенсильвания и Манчестерским университетом, обнаружило слабые магнитные сигналы в металлах, которые обычно не являются магнитными, используя только свет и модифицированный лазерный метод.

Эти слабые магнитные эффекты, больше похожие на «шепот», в немагнитных материалах раньше не поддавались обнаружению по понятным причинам: они были слишком малы. Но теперь всё изменилось. Эти эффекты измеримы, раскрытие новые модели поведения электронов, которые были в других материалах-носителях до этого исследования.

Благодаря этому открытию ученые полностью изменили это мы исследуем магнетизм в повседневных материалах, без провода или громоздкие инструменты. Этот могли бы даже открывают пути к хранению информации, квантовым вычислениям, а также более компактной, быстрой и совершенной электронике.

Раскрытие тонкого магнитного отклика в «тихих» металлах

Опубликованные в журнал Nature Communications¹, изучение подробнее a новый способ определения крошечных магнитные сигналы в металлах , такие как золото (Au), медь (Cu), алюминий (Al), тантал (Ta) и платина (Pt).

задача мы давно знаем, что электрические токи изгибаются в магнитном поле, который эффект Холла. Этот эффект особенно силён и хорошо известен в магнитных материалах. , такие как железо, но когда речь идет об обычных немагнитных металлах, таких как золото, эффект довольно слаб.

Оптический эффект Холла (ОЭХ), родственное явление, должен помочь визуализировать поведение электронов. при взаимодействии света и магнитных полей. 

Но это в теории, так как на видимых длинах волн эффект ОХЭ слишком тонок, чтобы ученые могли его обнаружить. So, в то время как we знают, что Эффект здесь, у нас нет инструментов чтобы на самом деле измерить это.

«Это было похоже на попытку услышать шёпот в шумной комнате на протяжении десятилетий. Все знали, что шёпот где-то есть, но у нас не было микрофона, достаточно чувствительного, чтобы его услышать».

– Профессор Амир Капуа из Института электротехники и прикладной физики Еврейского университета

Как объяснил профессор Капуа, эти металлы, такие как медь и золото, считаются «магнитно тихими». Например, эти материалы, золото и медь, не прилипают к холодильнику, как железо. «Но на самом деле, при определённых условиях, они реагируют на магнитные поля, просто крайне слабо», — добавил он. И наблюдать эти слабые эффекты всегда было непросто.

Итак, в В сотрудничестве с другими университетами исследователи продолжили исследование всего как обнаружить эти на самом деле небольшие магнитные эффекты в материалах, которые не являются магнитными. 

Для этого они обратились к методу магнитооптического эффекта Керра (МОКЭ) и усовершенствовали его. В рамках метода МОКЭ лазер используется для измерения того, как магнетизм влияет на направление света.

В исследовании отмечается, что, поскольку аномальный эффект Холла (АЭХ), наблюдаемый в ферромагнетиках (материалах, таких как железо, никель или кобальт, с дальнодействующим параллельным расположением атомных моментов, приводящим к спонтанной суммарной намагниченности), значительно сильнее обычного эффекта Холла (ОЭХ), оптический эффект Холла значительно слабее магнитооптического эффекта Керра (МОКЭ). Он настолько слаб, что его практически невозможно обнаружить в видимом свете.

Отсюда и причина изменения методики MOKE. Исследователи представили технологию MOKE, основанную на большой амплитуды модуляция внешнего приложенного магнитного поля. Для этого они использовали постоянные магниты, размещенные на вращающемся диске.

Исследователи объединили это с синим лазером с длиной волны 440 нм, что позволило им значительно повысить чувствительность метода. В результате им удалось обнаружить магнитное «эхо» в немагнитных металлах, которое законопроект предварительно примерно Достичь этого невозможно. В исследовании отмечается:

«Превосходная чувствительность этого метода открывает путь к открытию новых явлений и приложений, таких как оптическое определение спин-орбитального взаимодействия». 

Оптическое эхо обнаруживает скрытые магнитные сигналы в металлах

Измерения Холла являются ключевым методом в материаловедении и физике твердого тела. Эффект Холла позволяет нам изучать материалы в атомном масштабе и узнайте, сколько электронов в металле. Это имеет решающее значение для преодоления разрыва между фундаментальными исследованиями и практическими приложениями.

Однако измерение этого эффекта традиционно является сложным и трудоемким процессом, особенно при работе с компонентами, размеры которых очень малы, в нанометровом масштабе.. Для этого ученые сначала прикрепить провода к устройству, Но уже нет.

Новый подход очень прост: для этого нужен только лазер. быть светящимся на электрическом устройстве.

Как отметил профессор Капуа, даже Эдвин Холл, открывший эффект Холла, не добился успеха, пытаясь измерить его с помощью светового луча. Как резюмировал Холл в заключительном предложении своей статьи, написанной ещё в 1881 году:

«Я думаю, что если бы действие серебра было в десять раз слабее действия железа, эффект был бы обнаружен. Нет такого эффекта. наблюдалось". 

Но в последнем исследовании ученые действительно наблюдали эффект, «настроившись на правильную частоту и зная, куда смотреть», — сказал профессор Капуа. 

Профессор Капуа добавил, что благодаря этому команда «нашла способ измерить то, что когда-то считалось невидимым». «Это исследование превращает почти 150-летнюю научную проблему в новую возможность».

Еще более глубокий анализ помог команде обнаружить: то, что казалось случайным «шумом» в их сигнале, на самом деле было не таким уж и случайным, а имело четкое значение и закономерность. 

Исследуемая закономерность была связана со спин-орбитальной связью (СОС). Это квантовое свойство связывает как электроны движутся, как они спин, который влияет на то, как рассеивается магнитная энергия в материалах. 

Полученные новые знания имеют непосредственное и существенное значение для проектирования спинтронных устройств, магнитной памяти и квантовых систем.

«Это как обнаружить, что статические помехи в радиоприёмнике — это не просто помехи, а кто-то шепчет ценную информацию. Теперь мы используем свет, чтобы «прослушивать» эти скрытые сообщения электронов».

– Кандидат наук Надав Ам Шалом из Еврейского университета

Новая технология фактически предлагает неинвазивный, высокочувствительный инструмент для исследования магнетизма в металлах, не требующий массивные магниты или криогенные условия. 

Простота и точность этой технологии также могут помочь инженерам создавать более энергоэффективные системы, более быстрые процессоры и датчики с высокой точностью.

Созданием цифровых двойников возможности это ВСЕ только начало, с Исследование говорить о расширение спектра материалов в будущих работах. Этот включает в себя дополнительные металлы, многослойные пленки, полупроводники, а также топологические и двумерные материалы. 

Кроме того, в исследовании говорится, что «измерения, зависящие от температуры, представляют особый интерес, поскольку они могут дать ключ к пониманию механизмов возникновения шума и способствовать более глубокому пониманию его происхождения».

Нажмите здесь, чтобы узнать, как лазеры могут превратить немагнитные материалы в магнитные.

Расширение эффекта Холла новыми возможностями

В течение последнего года исследователи продолжали изучать методы, основанные на эффекте Холла, раздвигая границы возможного. Опираясь на классические измерения эффекта Холла в электричестве, учёные открывают новые режимы, знаменуя собой революционный сдвиг. 

Этот включает в себя открытие² значимых нелинейных эффектов Холла (ННЭХ) при комнатной температуре в теллуре (Te). Этот эффект представляет собой отклик второго порядка на приложенный переменный ток (AC), который генерирует сигналы второй гармоники без необходимости внешнее магнитное поле. 

NLHE, новый член семейства эффекта Холла, был получаю много внимание из-за свою возможное использование в устройствах удвоения и выпрямления частоты. Однако такие проблемы, как низкие рабочие температуры и низкое выходное напряжение Холла, ограничивают его практическое применение. 

Итак, Исследовательская группа из Китайского университета науки и технологий (USTC) Китайской академии наук (CAS) искала системы, которые по оценкам, замечательные нелинейно-интенсивные электроны в полупроводниковых материалах. Они тогда посмотрел в нелинейный отклик теллура, хрупкого и редкого элемента, который и одномерная спиральная цепь. Его структура изначально лишена инверсионной симметрии, что делает Те идеальным кандидатом.

При испытании тонких пластинок теллура (Te) они обнаружили значительные нелинейные эффекты Холла при комнатной температуре. При температуре 300 К максимальный выход второй гармоники в то же время можешь идти порядок величины выше предыдущих рекордов, достигая 2.8 мВ.

При более глубоком погружении нелинейный энергетическое поле наблюдалось в тонких хлопьях теллура был найден В основном это результат внешнего рассеяния. Здесь решающую роль сыграло нарушение симметрии поверхности структуры.

на основании которая, Переменный ток был заменен радиочастотными (РЧ) сигналами что понял беспроводное радиочастотное выпрямление в тонких хлопьях Те и достижение стабильного выпрямления напряжение выход в диапазоне от 0.3 до 4.5 ГГц. Таким образом, исследование открывает новые возможности для разработки современных электронных устройств.

Недавно исследователи из Университета Нового Южного Уэльса сосредоточились на объемных состояниях топологических изоляторов Bi2Se3 и Sb2Te3, а также найденный³ что орбитальный крутящий момент Холла доминирует над спиновым крутящим моментом Холла для эффективного преобразования зарядового тока в спиновый ток.

Объемные состояния приводят к значительному внешнему электрону проводимости, величина которого может быть на 3 порядка больше, чем сверхпроводящий электрон в топологических изоляторах, отчасти из-за того, что орбитальный угловой момент каждого электрона проводимости больше его спина. 

Также было отмечено, что оптимизация орбитальный к спину Преобразование в устройствах с вращающим моментом спина на основе топологических изоляторов (ТИ) является ключом к имеющий более эффективный контроль над намагничиванием, но которая потребуются передовые технологии и специальные ферромагнетики. 

Тем временем исследователи из Университета Иоганна Гутенберга показал⁴ an эффективное использование повышенной орбитальной холловской проводимости слоев Cr, Nb и Ru вдоль с перпендикулярно намагниченным ферромагнитным слоем для устройств магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM) со спин-орбитальным моментом (SOT). 

Устройства SOT-MRAM обещают лучшую производительность, энергонезависимость и энергоэффективность по сравнению со статической оперативной памятью. Для достижения длительного сохранения данных и эффективного переключения намагничивания в этих устройствах мы ферромагнетики с перпендикулярной магнитной анизотропией (ПМА) в сочетании с большими крутящими моментами расширились с помощью орбитального эффекта Холла (OHE). 

Таким образом, группа разработала PMA (Co/Ni)3 FM на выбранных слоях OHE и исследовала потенциал орбитальной холловской проводимости (OHC).

Результаты демонстрируют 30%-ное повышение эффективности крутящего момента и 60%-ное снижение мощности переключения, что подчеркивает «многообещающий потенциал использования улучшенного орбитального эффекта Холла для повышения производительности устройств SOT MRAM следующего поколения для приложений кэш-памяти с высокой плотностью упаковки».

Инвестиции в технологию спинтроники

Эверспин Технологии (MRAM ) Компания активно использует спин электрона вместо заряда для хранения данных. Компания является ведущим разработчиком решений на основе магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM) — типа энергонезависимой оперативной памяти, которая хранит данные в магнитных доменах.

MRAM использования электрон магнетизм спина обеспечить неволатильность и магазины информация в магнитном материале, интегрированная с кремниевой схемой, обеспечивает энергонезависимость Flash и скорость SRAM в one устройства. 

Продукция компании на основе технологии MRAM включает Toggle MRAM, которая обеспечивает простую память высокой плотности. с Эверспин через запатентованная конструкция ячейки Toggle Cell обеспечивает высокую надежность. Другой ее продукт — MRAM со спин-трансферным моментом (STT-MRAM), который использует манипуляцию спином электронов с помощью поляризационного тока для установления желаемого магнитного состояния MTJ.

Эверспин Технологии (MRAM )

При рыночной капитализации в 150 миллионов долларов акции MRAM торгуются по цене 6.68 доллара, увеличившись на 4.54% с начала года. EPS (TTM) компании составляет -0.01, а P/E (TTM) — -451.35.

За первый квартал, закончившийся 31 марта 2025 года, компания сообщила о совокупной выручке в размере 13.1 млн долларов США. Продажи продукции MRAM, включая выручку от Toggle и STT-MRAM, составили 11 млн долларов США. Выручка от лицензирования, роялти, патентов и прочих поступлений составила 2.1 млн долларов США.

За этот период валовая прибыль составила 51.4%, операционные расходы по GAAP — 8.7 млн долл. США, чистый убыток по GAAP — 1.2 млн долл. США или 0.05 долл. США на разводненную акцию, а чистая прибыль не по GAAP — 0.4 млн долл. США или 0.02 долл. США на разводненную акцию.

Денежные средства и их эквиваленты на конец квартала увеличились до 42.2 млн долларов США.

В этом году Everspin также получила контракт от Университета Пердью на использование его MRAM в качестве лежащий в основе программа под названием CHEETA (CMOS+MRAM Hardware for Энергоэффективная ИИ). Тем временем PERSYST MRAM прошла проверку на совместимость со всеми ПЛИС Lattice Semiconductor.

Ранее в этом году компания анонсировала два новых продукта в рамках своего семейства Orion xSPI, поддерживающих автомобильный температурный диапазон для обеспечения постоянных требований к высокоскоростной памяти в экстремальных условиях. 

«Мы рассчитываем, что наши существующие и новые клиенты будут использовать надежные продукты и технологии Everspin MRAM в таких критически важных приложениях благодаря победам в области проектирования и программам Strategic Radiation Hard для приложений памяти и FPGA». 

– Аггарвал

Последние новости и разработки Everspin Technologies (MRAM)

Заключение

С каждым новым исследованием исследователи открывают, что ученые не мог уже много лет. Последний делает именно это by поворот слабые оптические сигналы в явное магнитное присутствие, создавая новое путь для неинвазивный электронно-спиновое зондирование. Более того, они обнаружили, что то, что когда-то казалось шумом, на самом деле кодирует богатую информацию. спин-орбита информация и что может потенциально преобразовать дизайн спинтроники, магнитную память и квантовые технологии, что приведет к созданию более энергоэффективных устройств и увеличению емкости хранения данных.

Нажмите здесь, чтобы узнать, как прорыв в области памяти Ni₄W позволит осуществлять переключение без использования магнитов.

Ссылки:

1. Ам-Шалом, Н.; Ротшильд, А.; Бернштейн, Н.; Гинзбург Н.; Винникомб, Х.; Иллг, К.; Фёлдес, Д.; Колель-Веетил, М.; Элфри, А.; Бромли, Северная Каролина; Барбиеллини, Б.; Эвершор-Ситте, К.; Мишра, С.; Хаим, М.; Лифшиц Э.; Хаманн, доктор медицинских наук; Стайлз, доктор медицины; Шектер, М.; Штенкель, Д.; Капитульник, А. Чувствительный метод MOKE и оптического эффекта Холла в видимом диапазоне длин волн: взгляд на затухание Гилберта. Природа связи, 16, 6423 (2025). Опубликовано онлайн 17 июля 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
2. Ченг, Б.; Гао, Ю.; Чжэн, З.; Ван, К.; Лю, X.; Ли, З.; Ван, Г.; Лю, Ю.; Хуанг, Дж.; Лай, Дж.; Сюй, К.; Чжан, Ю.; Чжао, Ю.; Ван, Дж.; Лин, X.; Сюй, Х.; Лу, Х.; Сюй, Ю. Эффекты гигантского нелинейного Холла и беспроводного выпрямления при комнатной температуре в элементарном полупроводниковом теллуре. Природа связи, 15, 5513 (2024). Опубликовано онлайн 29 июня 2024 г. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Каллен, Дж. Х.; Лю, Х.; Калсер, Д. Гигантский орбитальный эффект Холла, обусловленный объемными состояниями трехмерных топологических изоляторов. НПЖ Спинтроника, 3, 22 (2025). Опубликовано онлайн 3 июня 2025 г. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Гупта, Р.; Буард, К.; Каммербауэр, Ф.; Шин, Х.; Тан, П.; Шукла, Н.; Кунду, А.; Синн, С.; Финицио, С.; Хайдлер, Дж.; Лопес-Диас, Л.; Кляуи, М.; Якоб, Г.; Кронаст, Ф.; Юнгфляйш, МБ; Бинс, М.; Гарг, К.; Паркин, SSP, использующий орбитальный эффект Холла в MRAM спин-орбитального крутящего момента. Природа связи, 16, 130 (2025). Опубликовано онлайн 2 января 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x