Laser avslöjar dold magnetism i vardagsmetaller

Världen av teknik utvecklas snabbt, med forskare som gör upptäckter varje dag. Redan förra veckan publicerade forskare sitt arbete, som löste ett gammalt fysikmysterium.

Genomförd av forskare från Hebreiska universitetet i samarbete med Pennsylvania State University och University of Manchester, upptäckte studien subtila magnetiska signaler i metaller som normalt inte är magnetiska, med endast ljus och en modifierad lasermetod.

Dessa svaga magnetiska effekter, som mer liknar “viskningar”, i icke‑magnetiska material har tidigare varit omöjliga att upptäcka av uppenbara skäl; de var helt enkelt för små. Men nu har det förändrats. Dessa effekter är mätbara, och avslöjar nya mönster av elektronbeteende som var dolda fram till denna studie.

Med denna upptäckt har forskare fullständigt förändrat hur vi undersöker magnetism i vardagsmaterial, utan kablar eller skrymmande instrument. Detta kan till och med öppna vägar till minneslagring, kvantdatorer, och mindre, snabbare, och mer avancerad elektronik.

Avtäcka den subtila magnetiska responsen i ‘tysta’ metaller

Publicerad i journal Nature Communications¹, studien beskriver ett nytt sätt att identifiera små magnetiska signaler i metaller som guld (Au), koppar (Cu), aluminium (Al), tantal (Ta) och platina (Pt).

Saken är att vi länge har vetat att elektriska strömmar böjs i ett magnetiskt fält, vilket är Hall‑effekten. Denna effekt är särskilt stark och välkänd i magnetiska material som järn, men när det gäller vanliga, icke‑magnetiska metaller som guld är effekten ganska svag.

Den optiska Hall‑effekten (OHE), ett relaterat fenomen, bör hjälpa till att visualisera elektronernas beteende när ljus och magnetiska fält interagerar.

Men det är bara i teorin, eftersom OHE‑effekten vid synliga våglängder är alldeles för subtil för forskare att upptäcka. Så, även om vi vet att effekten finns, saknar vi verktygen för att faktiskt mäta den.

“Det var som att försöka höra en viskning i ett bullrigt rum i årtionden. Alla visste att viskningen fanns, men vi hade ingen mikrofon som var tillräckligt känslig för att höra den.”

– Professor Amir Capua från Institutet för elektroteknik och tillämpad fysik vid Hebreiska universitetet

Som professor Capua förklarade anses dessa metaller, som koppar och guld, vara “magnetiskt ‘tysta’”. Till exempel fastnar dessa material, guld och koppar, inte på kylskåpet som järn gör. “Men i verkligheten, under rätt förhållanden, svarar de på magnetiska fält – bara på extremt subtila sätt,” tillade han. Och det har alltid varit en utmaning att observera dessa svaga effekter.

Så, i samarbete med andra universitet, fortsatte forskarna att undersöka exakt hur man kan upptäcka dessa riktigt små magnetiska effekter i material som inte är magnetiska.

För detta vände de sig till en teknik som kallas magneto‑optisk Kerr‑effekt (MOKE) och förbättrade den. Med MOKE‑metoden används en laser för att mäta hur magnetism påverkar ljusets riktning.

Studien noterar att eftersom den anomala Hall‑effekten (AHE) som observeras i ferromagneter (material som järn, nickel eller kobolt med långdistans, parallell inriktning av atomära moment som resulterar i spontan nettomagnetisering) är mycket starkare än den vanliga Hall‑effekten (OHE), är den optiska Hall‑effekten mycket svagare än den magneto‑optiska Kerr‑effekten (MOKE). Den är så svag att den knappt kan upptäckas i synligt ljus.

Därför ändrades MOKE‑tekniken. Forskarna presenterade MOKE‑tekniken, som är baserad på en stor amplitudmodulering av det yttre magnetfältet. För detta använde de permanenta magneter placerade på en roterande skiva.

Forskarna kombinerade detta med en 440 nm blå laser, vilket gjorde det möjligt att avsevärt öka känsligheten i tekniken. Som ett resultat kunde de upptäcka de magnetiska “eko” i icke‑magnetiska metaller, vilket tidigare knappt var möjligt att uppnå. Studien noterade:

“Den överlägsna känsligheten i tekniken banar väg för upptäckten av nya fenomen och tillämpningar såsom en optisk bestämning av spin‑orbitalinteraktionen.”

Optisk Eko Avslöjar Dolda Magnetiska Signaler i Metaller

Hall‑mätningar är en nyckelteknik inom materialforskning och fast tillstånds‑fysik. Hall‑effekten låter oss studera material på atomär nivå och ta reda på exakt hur många elektroner som finns i en metall. Det är avgörande för att överbrygga klyftan mellan grundforskning och praktiska tillämpningar.

Att mäta effekten är dock traditionellt en knepig och tidskrävande process, särskilt när man arbetar med komponenter som är mycket små, på nanometerskala. För detta har forskare tidigare behövt fästa kablar på enheten, men inte längre.

Den nya metoden är mycket enkel; den kräver bara att en laser riktas mot den elektriska enheten.

Som professor Capua noterade hade till och med Edwin Hall, som upptäckte Hall‑effekten, ingen framgång när han försökte mäta effekten med en ljusstråle. Som Hall sammanfattade i den avslutande meningen i sin artikel 1881:

“Jag tror att om silverns verkan hade varit en tiondel så stark som järnets, hade effekten upptäckts. Sådan effekt observerades inte.”

Men i den senaste forskningen har forskarna faktiskt observerat effekten “genom att stämma in på rätt frekvens – och veta var man ska leta,” sade professor Capua.

Med detta har teamet “hittat ett sätt att mäta det som tidigare ansågs osynligt,” tillade professor Capua, “Denna forskning förvandlar ett nästan 150 år gammalt vetenskapligt problem till en ny möjlighet.”

Att gräva ännu djupare hjälpte teamet att upptäcka att det som verkade vara ett slumpmässigt ‘brus’ i deras signal faktiskt inte var slumpmässigt, utan hade en tydlig betydelse och ett mönster.

Mönstret var relaterat till spin‑orbitalkoppling (SOC). Denna kvantegenskap kopplar hur elektroner rör sig till hur de spinnar, vilket påverkar hur magnetisk energi försvinner i material.

De nya insikterna har direkta och betydande implikationer för design av spintroniska enheter, magnetiskt minne och kvantsystem.

“Det är som att upptäcka att brus på en radio inte bara är störning – det är någon som viskar värdefull information. Vi använder nu ljus för att ‘lyssna’ på dessa dolda meddelanden från elektroner.”

– Ph.D.-kandidat Nadav Am Shalom från Hebreiska universitetet

Den nya tekniken erbjuder faktiskt ett icke‑invasivt, mycket känsligt verktyg för att utforska magnetism i metaller, utan att kräva massiva magneter eller kryogena förhållanden.

Denna enkelhet och precision i tekniken kan också hjälpa ingenjörer att bygga mer energieffektiva system, snabbare processorer och sensorer med hög noggrannhet.

Men detta är bara början, med studien som talar om att bredda materialens spektrum i framtida arbete. Detta inkluderar ytterligare metaller, flerskiktsfilmer, halvledare samt topologiska och 2D‑material.

Dessutom är en “temperaturberoende mätning av särskilt intresse, eftersom den kan ge viktig insikt i brusmekanismerna och ligga till grund för en djupare förståelse av deras ursprung,” enligt studien.

Klicka här för att lära dig hur laser kan göra icke‑magnetiska material magnetiska.

Utvidga Hall‑effekten med nya möjligheter

Under det senaste året har forskare fortsatt att undersöka Hall‑effekttekniker, och drivit gränserna för vad som är möjligt. Genom att bygga på klassiska elektriska Hall‑mätningar upptäcker forskare nya regime, vilket signalerar en transformerande förändring.

Detta inkluderar upptäckten av betydande icke‑linjära Hall‑effekter (NLHE) vid rumstemperatur i tellur (Te). Effekten är ett andragradssvar på en applicerad växelström (AC) som genererar andra harmoniska signaler utan att behöva ett externt magnetfält.

NLHE, en ny medlem i Hall‑effektfamiljen, har fått mycket uppmärksamhet på grund av dess möjliga användning i frekvensdubblande och likriktande enheter. Utmaningar som låga driftstemperaturer och låga Hall‑spänningsutgångar har dock begränsat dess praktiska tillämpningar.

Så, ett forskarteam från University of Science and Technology of China (USTC) vid Kinas akademi för vetenskaper (CAS) sökte efter system som visar anmärkningsvärd NLHE i halvledarmaterial. De undersökte sedan den icke‑linjära responsen hos tellur, ett sprött och sällsynt element som har en endimensionell helikal kedja. Dess struktur saknar i sig inversionell symmetri, vilket gör Te till en perfekt kandidat.

När de testade tunna flisor av tellur (Te) upptäckte de betydande icke‑linjära Hall‑effekter vid rumstemperatur. Vid en temperatur på 300 K kunde den maximala andra harmoniska utsignalen gå en storleksordning högre än tidigare rekord, upp till 2,8 mV.

Vid en djupare analys visade sig NLHE som observerades i de tunna flisorna av tellur huvudsakligen bero på extrinsisk spridning. Här spelade brytningen av strukturens ytasymmetri en avgörande roll.

Baserat på detta ersattes AC‑strömmen med radiofrekvenssignaler (RF) som möjliggjorde trådlös RF‑likriktning i Te‑tunna flisor och uppnådde stabil likriktad spänningsutgång över ett område från 0,3 till 4,5 GHz. På så sätt öppnar studien nya möjligheter för utvecklingen av avancerade elektroniska enheter.

Nyligen fokuserade forskare från University of New South Wales på bulktillstånden hos topologiska isolatorer, Bi2Se3 och Sb2Te3, och fann att orbital Hall‑torque dominerar spin Hall‑torque för en effektiv omvandling av laddningsström till spinnström.

Bulktillstånden ger upphov till en betydande OHE, upp till tre storleksordningar större än SHE, i topologiska isolatorer, delvis på grund av att varje ledande elektrons orbitala rörelsemängd är större än dess spinn.

Det noterades också att optimering av orbital‑till‑spinn‑konversion i TI (topologiska isolatorer) spin‑torque‑enheter är nyckeln till mer effektiv kontroll över magnetisering, men detta kommer att kräva avancerade tekniker och specifika ferromagneter.

Samtidigt visade forskare från Johannes Gutenberg University en effektiv användning av den förbättrade orbital Hall‑ledningsförmågan hos Cr‑, Nb‑ och Ru‑lager tillsammans med ett vinkelrätt magnetiserat ferromagnetiskt lager för Spin‑Orbit Torque (SOT) Magnetic Random‑Access Memory (MRAM)-enheter.

SOT‑MRAM‑enheter lovar bättre prestanda, icke‑flyktighet och energieffektivitet jämfört med statisk RAM. För att uppnå lång datalagring och effektiv magnetiseringsväxling i dessa enheter behöver vi ferromagneter med vinkelrät magnetisk anisotropi (PMA) kombinerat med stora vridmoment som ökas av Orbital Hall‑effekten (OHE).

Så designade teamet ett PMA (Co/Ni)3 FM på utvalda OHE‑lager och undersökte potentialen för orbital Hall‑ledningsförmåga (OHC).

Resultaten visar en 30 % förbättring i vridmomentseffektivitet och en 60 % minskning av växlingsenergi, vilket understryker den “lovande potentialen i att utnyttja den förbättrade orbital Hall‑effekten för att driva prestandan hos nästa generations SOT‑MRAM‑enheter för högdensitets cacheminnesapplikationer.”

Investera i spintronik‑teknik

Everspin Technologies (MRAM ) använder aktivt elektronspinn snarare än laddning för att lagra data. Det är en ledande utvecklare av magnetoresistiv slumpmässig åtkomstminne (MRAM)-lösningar, en typ av icke‑flyktigt RAM som lagrar data i magnetiska domäner.

MRAM använder ett elektronspinns magnetism för att ge icke‑flyktighet och lagrar information i magnetiskt material integrerat med kiselkretsar för att leverera Flash‑lik icke‑flyktighet och SRAM‑lik hastighet i en enda enhet.

Dess MRAM‑teknologiprodukter inkluderar Toggle MRAM, som ger ett enkelt, högdensitetsminne med Everspin som använder en patenterad Toggle‑celldesign för att erbjuda hög tillförlitlighet. Dess andra produkt är Spin‑transfer Torque MRAM (STT‑MRAM), som använder manipulation av elektronspinn med en polariserande ström för att etablera önskat magnetiskt tillstånd i MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

Med ett börsvärde på 150 miljoner dollar handlas MRAM‑aktier för närvarande till 6,68 $, upp 4,54 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -0,01, och P/E (TTM) är -451,35.

För det första kvartalet som avslutades den 31 mars 2025 rapporterade företaget en total omsättning på 13,1 miljoner dollar. Dess MRAM‑produktförsäljning, inklusive både Toggle‑ och STT‑MRAM‑intäkter, var samtidigt 11 miljoner dollar. Intäkter från licenser, royalties, patent och övrigt uppgick till 2,1 miljoner dollar.

Under denna period var bruttomarginalen 51,4 %, GAAP‑driftskostnaderna 8,7 miljoner dollar, GAAP‑nettoförtabet 1,2 miljoner dollar eller $(0,05) per utspädd aktie, och icke‑GAAP‑nettoinkomst var 0,4 miljoner dollar eller $0,02 per utspädd aktie.

Kassa och likvida medel vid kvartalets slut ökade till 42,2 miljoner dollar.

I år säkrade Everspin också ett kontrakt från Purdue University för att använda deras MRAM som grund i ett program kallat CHEETA (CMOS+MRAM‑hårdvara för energieffektiv AI). Dess PERSYST MRAM validerades samtidigt för konfiguration på alla Lattice Semiconductor (LSCC ) ‑FPGA:er.

Tidigare i år meddelade företaget två nya produkter som en del av sin Orion xSPI‑familj, med ett bilindustrispecifikt temperaturintervall för beständig, höghastighetsminneskrav i extrema miljöer.

“Vi förväntar oss att våra befintliga och nya kunder ska implementera Everspins robusta MRAM‑produkter och teknik i sådana missionskritiska tillämpningar genom designvinster och strategiska strålningshärda program för minne och FPGA‑applikationer.”

– Aggarwal

Senaste nyheter och utveckling kring Everspin Technologies (MRAM)-aktier

Slutsats

Med varje ny studie avslöjar forskare vad vetenskapsmän inte kunde under åratal. Den senaste gör exakt detta genom att omvandla de svaga optiska signalerna till en tydlig magnetisk närvaro, vilket skapar ett nytt sätt för icke‑invasiv undersökning av elektronspinn. Dessutom har de visat att det som tidigare verkade vara brus faktiskt kodar rik spin‑orbitalinformation och att detta kan potentiellt omvandla spintronisk design, magnetiskt minne och kvantteknologier, vilket leder till mer energieffektiva enheter och förbättrad datalagringskapacitet.

Klicka här för att lära dig hur Ni₄W‑minnesgenombrottet kommer att möjliggöra magnetfri växling.

Referenser:

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 känslig MOKE‑ och optisk Hall‑effekt‑teknik vid synliga våglängder: Insikter i Gilbert‑dämpning. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Publicerad online 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. Jättestor icke‑linjär Hall‑ och trådlös likriktningseffekt vid rumstemperatur i det elementära halvledarmaterialet tellur. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publicerad online 29 juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Jättestor orbital Hall‑effekt på grund av bulktillstånden i 3D‑topologiska isolatorer. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publicerad online 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, M. B.; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, S. S. P. Utnyttja orbital Hall‑effekt i Spin‑Orbit Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publicerad online 2 januari 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x