Lazer, Günlük Metallerde Gizli Manyetizmayı Ortaya Çıkarıyor

Teknoloji dünyası hızla ilerliyor, araştırmacılar her gün keşifler yapıyor. Geçen hafta bilim insanları çalışmalarını yayınladı ve eski bir fizik gizemini çözdü.

İbrani Üniversitesi araştırmacıları, Pennsylvania State University ve Manchester Üniversitesi iş birliğiyle yürütülen çalışma, normalde manyetik olmayan metallerde ince manyetik sinyalleri sadece  ışık ve modifiye bir lazer yöntemi kullanarak tespit etti.

Bu zayıf manyetik etkiler, yani “fısıltılar” gibi, manyetik olmayan malzemelerde daha önce açık nedenlerle tespit edilemezdi; çok küçüktüler. Ancak şimdi durum değişti. Bu etkiler ölçülebilir, ortaya koyarak yeni elektron davranış kalıpları ki gizli bu çalışmaya kadar.

Bu keşifle, bilim insanları günlük malzemelerde manyetizmayı araştırma şeklimizi tamamen dönüştürdüler, nasıl araştırdığımızı, tel ya da hantal cihazlar olmadan. Bu potansiyel olarak hafıza depolama, kuantum hesaplama ve daha küçük, daha hızlı ve daha gelişmiş elektroniklere kapılar açabilir.

‘Sessiz’ Metallerde İnce Manyetik Tepkinin Çözülmesi

Nature Communications dergisinde yayınlanan journal Nature Communications¹, çalışma detaylandırıyor bir yeni yol çok küçük manyetik sinyalleri tanımlamak için metallerde örneğin altın (Au), bakır (Cu), alüminyum (Al), tantal (Ta) ve platin (Pt).

Şöyle ki, şey uzun zamandır manyetik bir alanda elektrik akımlarının büküldüğünü biliyoruz, bu Hall etkisidir. Bu etki manyetik malzemelerde, özellikle demir gibi, çok güçlü ve iyi bilinir, ancak altın gibi yaygın, manyetik olmayan metallere geldiğinde etki oldukça zayıftır.

İlgili bir fenomen olan optik Hall etkisi (OHE), ışık ve manyetik alanlar etkileştiğinde elektronların davranışını görselleştirmeye yardımcı olmalıdır. 

Ancak bu sadece teoride, görünür dalga boylarında OHE etkisi bilim insanları için çok ince olduğu için tespit edilemez. Bu yüzden, biz biliyoruz ki etki orada, ama onu gerçekten ölçebilecek araçlara sahip değiliz.

“Onlarca yıl boyunca gürültülü bir odada bir fısıltıyı duymaya çalışmak gibiydi. Herkes fısıltının orada olduğunu biliyordu, ama onu duyacak kadar hassas bir mikrofona sahip değildik.”

– Profesör Amir Capua from the Institute of Electrical Engineering and Applied Physics at Hebrew University

Prof. Capua’nın açıklamasına göre, bakır ve altın gibi bu metallere “manyetik olarak ‘sessiz’” olduğu düşünülür. Örneğin, altın ve bakır buzdolabına demir gibi yapışmaz. “Ama gerçekte, doğru koşullar altında manyetik alanlara yanıt verirler—ancak son derece ince şekillerde,” diye ekledi. Ve bu zayıf etkileri gözlemlemek her zaman bir zorluktu.

Bu yüzden, diğer üniversitelerle iş birliği içinde, araştırmacılar manyetik olmayan malzemelerde bu gerçekten çok küçük manyetik etkileri nasıl tespit edeceklerini araştırmaya devam ettiler. 

Bunun için, manyeto-optik Kerr etkisi (MOKE) adlı bir tekniğe yöneldiler ve onu geliştirdiler. MOKE yöntemi altında, bir lazer manyetizmanın ışığın yönünü nasıl etkilediğini ölçmek için kullanılır.

Çalışma, ferromanyetlerde (demir, nikel veya kobalt gibi uzun menzilli, paralel hizalanmış atomik momentlerin spontan net manyetizasyon oluşturduğu malzemeler) gözlemlenen anormal Hall etkisinin (AHE) olağan Hall etkisinden (OHE) çok daha güçlü olduğu için, optik Hall etkisinin manyeto-optik Kerr etkisinden (MOKE) çok daha zayıf olduğunu belirtiyor. Görünür ışıkta neredeyse tespit edilemeyecek kadar zayıftır.

Bu nedenle MOKE tekniği değiştirildi. Araştırmacılar, dışarıdan uygulanan manyetik alanın büyük genlikli modülasyonuna dayanan MOKE tekniğini sundular. Bunun için dönen bir disk üzerine yerleştirilmiş kalıcı manyetikler kullandılar.

Araştırmacılar bunu 440 nm mavi lazerle birleştirdiler, bu da tekniğin duyarlılığını önemli ölçüde artırmalarını sağladı. Sonuç olarak, manyetik olmayan metallerde manyetik “yankıları” tespit edebildiler, ki bu daha önce neredeyse imkânsızdı. Çalışma şunu belirtti:

“Tekniğin üstün duyarlılığı, yeni fenomenlerin ve uygulamaların keşfine, örneğin spin-yörünge etkileşiminin optik belirlenmesine giden yolu açıyor.”

Optik Yankı, Metallerde Gizli Manyetik Sinyalleri Ortaya Çıkarıyor

Hall ölçümleri, malzeme araştırması ve katı hal fiziğinde temel bir tekniktir. Hall etkisi, malzemeleri atomik ölçekte incelememizi ve bir metalde kaç elektron olduğunu öğrenmemizi sağlar. Temel araştırma ile pratik uygulamalar arasındaki boşluğu kapatmada kritik öneme sahiptir.

Bununla birlikte, etkiyi ölçmek geleneksel olarak zor ve zaman alıcı bir süreçtir, özellikle nanometre ölçeğinde gerçekten küçük bileşenlerle çalışırken. Bunun için bilim insanları önce cihaza tel takmak zorundaydı, ancak artık değil.

Yeni yaklaşım çok basittir; sadece bir lazerin elektrikli cihaza yönlendirilmesi gerekir.

Prof. Capua’nın belirttiği gibi, Hall etkisini keşfeden Edwin Hall bile ışık ışınıyla etkiyi ölçmeye çalıştığında başarılı olamadı. Hall, 1881’deki makalesinin kapanış cümlesinde şöyle özetledi:

“Eğer gümüşün etkisi demirin onda biri kadar güçlü olsaydı, etki tespit edilirdi. Böyle bir etki gözlemlenmedi.”

Ancak son araştırmalarda, bilim insanları gerçekten “doğru frekansa ayarlayarak ve nerede bakacaklarını bilerek” bu etkiyi gözlemlediklerini söyledi Prof. Capua.

Bununla birlikte, ekip “bir zamanlar görünmez olduğu düşünülen şeyi ölçmenin bir yolunu buldu,” diye ekledi Prof. Capua, “Bu araştırma neredeyse 150 yıllık bir bilimsel problemi yeni bir fırsata dönüştürüyor.”

Daha derine bakmak, ekibin sinyallerindeki rastgele ‘gürültü’ gibi görünen şeyin aslında rastgele olmadığını, net bir anlam ve kalıp taşıdığını bulmalarına yardımcı oldu.

Takip edilen kalıp spin-yörünge bağlaması (SOC) ile ilgiliydi. Bu kuantum özelliği, elektronların nasıl hareket ettiğini nasıl döndükleriyle bağlar ve manyetik enerjinin malzemelerde nasıl dağıldığını etkiler.

Elde edilen yeni içgörüler, spintronik cihazlar, manyetik bellek ve kuantum sistemlerin tasarımında doğrudan ve önemli etkiler taşır.

“Radyo statik sesinin sadece bir parazit olmadığını, değerli bir bilginin fısıltısı olduğunu keşfetmek gibi. Şimdi ışığı kullanarak bu elektronlardan gelen gizli mesajları ‘dinliyoruz’.”

– Ph.D. candidate Nadav Am Shalom from the Hebrew University

Yeni teknik, büyük manyetikler veya kriyojenik koşullar gerektirmeden, metallerde manyetizmayı keşfetmek için non-invaziv, son derece hassas bir araç sunuyor.

Tekniğin sadeliği ve hassasiyeti, mühendislerin daha enerji verimli sistemler, daha hızlı işlemciler ve yüksek doğruluklu sensörler inşa etmelerine de yardımcı olabilir.

Ama bu sadece bir başlangıç, çalışma gelecekte malzeme yelpazesini genişletmeyi konuşuyor. Bu, ek metaller, çok katmanlı filmler, yarı iletkenler ve topolojik ve 2D malzemeleri içeriyor.

Ayrıca, “sıcaklık bağımlı ölçüm özellikle ilgi çekicidir, çünkü gürültü mekanizmalarına dair kilit içgörüler sunabilir ve kökenlerinin daha derin bir anlayışını temellendirebilir,” çalışmada belirtildi.

Lazerlerin manyetik olmayan malzemeleri manyetik hale nasıl getirebileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Hall Etkisini Yeni Olanaklarla Genişletmek

Geçtiğimiz yıl boyunca, araştırmacılar Hall etkisi tekniklerini incelemeye devam etti, mümkün olanın sınırlarını zorladılar. Klasik elektrik Hall ölçümlerine dayanarak, bilim insanları yeni rejimler keşfediyor ve dönüştürücü bir değişimi işaret ediyor. 

Bu, tellür (Te) içinde oda sıcaklığında önemli doğrusal olmayan Hall etkileri (NLHE) keşfini içerir. Etki, harici bir manyetik alan gerektirmeden ikinci harmonik sinyaller üreten uygulanan alternatif akıma (AC) ikinci dereceden bir yanıtıdır.

NLHE, Hall etkisi ailesinin yeni bir üyesi, frekans iki katına çıkarmada ve doğrultma cihazlarında olası kullanımı nedeniyle çok ilgi gördü. Ancak düşük çalışma sıcaklıkları ve düşük Hall voltaj çıkışları gibi zorluklar, pratik uygulamalarını sınırladı. 

Bu yüzden, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (USTC) ve Çin Bilimler Akademisi (CAS) araştırma ekibi, yarı iletken malzemelerde çarpıcı NLHE gösteren sistemler aradı. Daha sonra kırılgan ve nadir bir element olan tellürün (Te) doğrusal olmayan yanıtını incelediler; bu element tek boyutlu helikal bir zincire sahiptir. Yapısı doğası gereği ters simetri eksikliği taşır, bu da Te’yi mükemmel bir aday yapar.

Tellür (Te) ince pulpasını test ettiklerinde, oda sıcaklığında önemli doğrusal olmayan Hall etkileri keşfettiler. 300 K sıcaklıkta, maksimum ikinci harmonik çıkış önceki kayıtlardan bir mertebe daha yüksek, 2.8 mV kadar olabiliyor.

Daha derin bir incelemede, tellür ince pulpasında gözlemlenen NLHE’nin çoğunlukla dışsal saçılmanın sonucu olduğu bulundu. Burada, yapının yüzey simetrisinin kırılması kritik bir rol oynadı.

Buna dayanarak, AC akım radyo frekansı (RF) sinyalleriyle değiştirildi; bu, Te ince pulpasında kablosuz RF doğrultması gerçekleştirdi ve 0.3 ila 4.5 GHz aralığında istikrarlı doğrultulmuş voltaj çıkışı sağladı. Bu şekilde, çalışma gelişmiş elektronik cihazların geliştirilmesi için yeni olasılıklar açıyor.

Son zamanlarda, Yeni Güney Galler Üniversitesi araştırmacıları, topolojik izolatörlerin Bi2Se3 ve Sb2Te3 gibi toplu durumlarına odaklandı ve yörüngesel Hall torkunun, yük akımının spin akımına verimli dönüşümü için spin Hall torkunu hâkim olduğunu buldular.

Topolojik izolatörlerde, toplu durumlar önemli bir OHE üretir; bu, SHE’den üç mertebe daha büyüktür ve kısmen her iletim elektronunun yörüngesel açısal momentumunun spininden daha büyük olmasından kaynaklanır.

Ayrıca, TI (topolojik izolatörler) spin tork cihazlarında yörüngeselden spina dönüşümün optimize edilmesinin, manyetizasyon üzerindeki daha verimli kontrol için anahtar olduğu, ancak bunun gelişmiş teknikler ve belirli ferromanyetikler gerektirdiği belirtilmiştir.

Bu arada, Johannes Gutenberg Üniversitesi araştırmacıları, Cr, Nb ve Ru katmanlarının artırılmış yörüngesel Hall iletkenliğinin, dikey manyetize ferromanyetik bir katmanla birlikte Spin-Yörünge Torku (SOT) Manyetik Rastgele Erişim Belleği (MRAM) cihazları için verimli bir kullanımını gösterdiler.

SOT-MRAM cihazları, statik RAM’e kıyasla daha iyi performans, kalıcılık ve güç verimliliği vaat ediyor. Bu cihazlarda uzun veri saklama ve verimli manyetizasyon anahtarlaması sağlamak için, dikey manyetik anizotropiye (PMA) sahip ferromanyetiklere ve Yörüngesel Hall Etkisi (OHE) ile artırılmış büyük torklara ihtiyaç duyuyoruz.

Bu yüzden ekip, seçilen OHE katmanları üzerinde bir PMA (Co/Ni)3 FM tasarladı ve yörüngesel Hall iletkenliğinin (OHC) potansiyelini araştırdı.

Sonuçlar, tork verimliliğinde %30 iyileşme ve anahtarlama gücünde %60 azalma gösteriyor, bu da yüksek yoğunluklu önbellek bellek uygulamaları için bir sonraki nesil SOT MRAM cihazlarının performansını artırmak amacıyla artırılmış yörüngesel Hall etkisinden yararlanmanın “vaat eden potansiyelini” vurguluyor.

Spintronik Teknolojisine Yatırım

Everspin Technologies (MRAM ) aktif olarak veriyi depolamak için yük yerine elektron spinini kullanıyor. Manyetik dirençli rastgele erişim belleği (MRAM) çözümlerinin önde gelen geliştiricisidir; manyetik alanlarda veri depolayan bir uçucu olmayan RAM türüdür.

MRAM, bir elektron spininin manyetizmini kullanarak uçucu olmayan bir özellik sağlar ve bilgiyi, Flash’ın uçucu olmayan özelliği ve SRAM’ın hızı bir cihazda sunan silikon devreyle bütünleşik manyetik malzemede depolar.

MRAM teknoloji ürünleri arasında, basit, yüksek yoğunluklu bir bellek sağlayan Toggle MRAM bulunur; Everspin, yüksek güvenilirlik sunan patentli bir Toggle hücre tasarımı kullanır. Diğer ürünü ise Spin-transfer Tork MRAM (STT-MRAM) olup, elektronların spinini polarize eden bir akımla manipüle ederek MTJ’nin istenen manyetik durumunu oluşturur.

Everspin Technologies (MRAM )

150 milyon dolar piyasa değerine sahip MRAM hisseleri şu anda hisse başına 6,68 $ fiyatla, YTD %4,54 artışla işlem görüyor. EPS (TTM) -0,01 ve P/E (TTM) -451,35.

31 Mart 2025’de sona eren ilk çeyrek için şirket toplam 13,1 milyon $ gelir bildirdi. Toggle ve STT-MRAM satışlarını içeren MRAM ürün gelirleri ise 11 milyon $ oldu. Lisanslama, telif hakları, patentler ve diğerlerinden elde edilen gelir 2,1 milyon $ idi.

Bu dönemde brüt marj %51,4, GAAP operasyonel giderler 8,7 milyon $, GAAP net zarar 1,2 milyon $ veya seyreltilmiş hisse başına $(0,05) iken, GAAP dışı net gelir 0,4 milyon $ veya seyreltilmiş hisse başına $0,02 idi.

Çeyrek sonunda nakit ve nakit benzerleri 42,2 milyon $’a yükseldi.

Bu yıl, Everspin ayrıca Purdue Üniversitesi’nden MRAM’ını CHEETA (CMOS+MRAM Donanımı Enerji Verimli AI) adlı programda temel olarak kullanmak için bir sözleşme aldı. Aynı zamanda PERSYST MRAM, tüm Lattice Semiconductor FPGA’ları için konfigürasyon doğrulaması aldı.

Bu yılın başlarında, şirket Orion xSPI ailesinin bir parçası olarak iki yeni ürün duyurdu; bu ürünler, zorlu ortamlar için kalıcı, yüksek hızlı bellek gereksinimlerine uygun otomotiv sıcaklık aralığını kapsıyor.

“Mevcut ve yeni müşterilerimizin, bellek ve FPGA uygulamaları için tasarım kazanımları ve Stratejik Radyasyon Dayanıklı programlar aracılığıyla bu kritik görev uygulamalarında Everspin’in sağlam MRAM ürünlerini ve teknolojisini kullanmasını bekliyoruz.”

– Aggarwal

En Son Everspin Technologies (MRAM) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri

Sonuç

Her yeni çalışma ile araştırmacılar, bilim insanlarının yıllardır yapamadığını ortaya çıkarıyor. yapamadığını yıllardır. En son çalışma tam da bunu yapıyor zayıf optik sinyalleri net bir manyetik varlığa dönüştürerek, yeni bir yol oluşturuyor girişimsiz elektron spin ölçümünde. Ayrıca, bir zamanlar gürültü gibi görünen şeyin aslında zengin spin‑yörünge bilgisi kodladığını ortaya koydular ve bunun spintronik tasarımı, manyetik bellek ve kuantum teknolojilerini potansiyel olarak dönüştürebileceğini, daha enerji verimli cihazlar ve artırılmış veri depolama kapasitesi sağlayacağını belirttiler.

Ni₄W bellek atılımının manyetsiz anahtarlamayı nasıl mümkün kılacağını öğrenmek için buraya tıklayın.

Referanslar:

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. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Yayınlandı online 17 Temmuz 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. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Yayınlandı online 29 Haziran 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Yayınlandı online June 3, 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. Nature Communications, 16, 130 (2025). Yayınlandı online 2 Ocak 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x