Laser Mengungkap Magnetisme Tersembunyi dalam Logam Sehari-hari

Dunia teknologi berkembang pesat, dengan para peneliti membuat penemuan setiap hari. Minggu lalu, para ilmuwan menerbitkan karya mereka, yang memecahkan misteri fisika lama.

Dilakukan oleh para peneliti dari Universitas Ibrani bekerja sama dengan Universitas Negeri Pennsylvania dan Universitas Manchester, penelitian ini mendeteksi sinyal magnetik halus dalam logam yang biasanya tidak bersifat magnetis, hanya menggunakan cahaya dan metode laser yang dimodifikasi.

Efek magnetik samar ini, yang lebih mirip "bisikan", pada material non-magnetik sebelumnya tidak terdeteksi karena alasan yang jelas; efeknya terlalu kecil. Namun kini, hal itu telah berubah. Dampak-dampak ini dapat diukur, mengungkapkan pola baru perilaku elektron yang adalah tersembunyi sampai penelitian ini.

Dengan penemuan ini, para ilmuwan telah mengubah total bagaimana kami menyelidiki magnetisme dalam bahan sehari-hari, tanpa kabel atau instrumen besar. Kredensial mikro bisa bahkan membuka jalan menuju penyimpanan memori, komputasi kuantum, dan elektronik yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih canggih.

Mengungkap Respons Magnetik Halus pada Logam yang 'Tenang'

Diterbitkan dalam jurnal Nature Communications¹, pembelajaran details a cara baru untuk mengidentifikasi benda kecil sinyal magnetik dalam logam 'like' emas (Au), tembaga (Cu), aluminium (Al), tantalum (Ta), dan platina (Pt).

The hal adalah, kita sudah lama mengetahui bahwa arus listrik membelok dalam medan magnet, yang mana efek Hall. Efek ini sangat kuat dan terkenal pada bahan magnetik 'like' besi, tetapi bila menyangkut logam umum non-magnetik seperti emas, efeknya agak lemah.

Efek Hall optik (OHE), fenomena terkait, seharusnya membantu memvisualisasikan perilaku elektron ketika cahaya dan medan magnet berinteraksi. 

Namun itu hanya dalam teori, karena pada panjang gelombang tampak, efek OHE terlalu halus untuk dideteksi oleh para ilmuwan. So, sementara we tahu bahwa Efeknya disana, kita tidak memiliki alatnya untuk benar-benar mengukurnya.

Rasanya seperti mencoba mendengar bisikan di ruangan yang bising selama puluhan tahun. Semua orang tahu bisikan itu ada, tetapi kami tidak punya mikrofon yang cukup sensitif untuk mendengarnya.

– Profesor Amir Capua dari Institut Teknik Elektro dan Fisika Terapan di Universitas Ibrani

Sebagaimana dijelaskan Prof. Capua, logam-logam ini, seperti tembaga dan emas, dianggap "'tenang' secara magnetis". Misalnya, material-material ini, emas dan tembaga, tidak menempel di lemari es seperti besi. "Namun kenyataannya, dalam kondisi yang tepat, mereka memang merespons medan magnet—hanya dengan cara yang sangat halus," tambahnya. Dan selalu menjadi tantangan untuk mengamati efek samar ini.

Jadi, di berkolaborasi dengan universitas lain, para peneliti melanjutkan untuk menyelidiki hanya cara mendeteksi ini benar-benar efek magnetik kecil pada bahan yang tidak magnetik. 

Untuk itu, mereka beralih ke teknik yang disebut efek Kerr magneto-optik (MOKE) dan meningkatkannya. Dengan metode MOKE, laser digunakan untuk mengukur bagaimana magnet mempengaruhi arah cahaya.

Studi ini mencatat bahwa, karena efek Hall anomali (AHE) yang diamati pada feromagnet (material seperti besi, nikel, atau kobalt dengan kesejajaran momen atom paralel jarak jauh yang menghasilkan magnetisasi bersih spontan) jauh lebih kuat daripada efek Hall biasa (OHE), efek Hall optik jauh lebih lemah daripada efek Kerr magneto-optik (MOKE). Efek ini begitu lemah sehingga hampir tidak dapat dideteksi dalam cahaya tampak.

Oleh karena itu, alasan untuk mengubah teknik MOKE. Para peneliti menyajikan teknik MOKE, yang didasarkan pada amplitudo besar modulasi medan magnet yang diterapkan secara eksternal. Untuk ini, mereka menggunakan magnet permanen yang ditempatkan pada cakram yang berputar.

Para peneliti menggabungkan ini dengan laser biru 440 nm, yang memungkinkan mereka untuk meningkatkan sensitivitas teknik secara signifikan. Hasilnya, mereka mampu mendeteksi “gema” magnetik pada logam non-magnetik, yang adalah sebelumnya hanya tentang mustahil untuk dicapai. Studi tersebut mencatat:

“Sensitivitas teknik yang unggul membuka jalan menuju penemuan fenomena dan aplikasi baru, seperti penentuan optik interaksi spin-orbit.” 

Gema Optik Mengungkap Sinyal Magnetik Tersembunyi dalam Logam

Pengukuran Hall merupakan teknik utama dalam penelitian material dan fisika keadaan padat. Efek Hall memungkinkan kita untuk mempelajari materi pada skala atom dan cari tahu berapa banyak elektron adalah dalam logam. Hal ini penting dalam menjembatani kesenjangan antara penelitian mendasar dan aplikasi praktis.

Namun, mengukur efeknya secara tradisional merupakan proses yang rumit dan memakan waktu, terutama ketika bekerja dengan komponen yang sangat kecil, pada skala nanometer.. Untuk hal ini, para ilmuwan telah untuk memasang kabel ke perangkat terlebih dahulu, tapi tidak lagi.

Pendekatan baru ini sangat sederhana; hanya membutuhkan laser untuk bersinar pada perangkat listrik.

Sebagaimana dicatat oleh Prof. Capua, bahkan Edwin Hall, penemu efek Hall, tidak berhasil ketika ia mencoba mengukur efek tersebut menggunakan seberkas cahaya. Sebagaimana dirangkum Hall dalam kalimat penutup makalahnya pada tahun 1881:

“Saya pikir, jika aksi perak hanya sepersepuluh lebih kuat dari aksi besi, efeknya akan terdeteksiTidak ada efek seperti itu diamati. " 

Namun dalam penelitian terbaru, para ilmuwan telah mengamati efeknya "dengan menyetel frekuensi yang tepat—dan mengetahui di mana harus mencari," kata Prof. Capua. 

Dengan demikian, tim tersebut telah “menemukan cara untuk mengukur apa yang dulunya dianggap tak terlihat,” tambah Prof. Capua, “Penelitian ini mengubah masalah ilmiah yang telah berusia hampir 150 tahun menjadi peluang baru.”

Dengan menyelidiki lebih dalam, tim menemukan bahwa apa yang tampak seperti 'gangguan' acak dalam sinyal mereka ternyata tidak sepenuhnya acak, tetapi memiliki makna dan pola yang jelas. 

Pola yang diikuti berkaitan dengan kopling spin-orbit (SOC). Sifat kuantum ini menghubungkan bagaimana elektron bergerak ke bagaimana mereka putaran, yang memengaruhi cara energi magnetik menghilang dalam material. 

Wawasan baru yang diperoleh memiliki implikasi langsung dan signifikan untuk merancang perangkat spintronik, memori magnetik, dan sistem kuantum.

"Rasanya seperti menemukan bahwa suara statis di radio bukan sekadar gangguan—melainkan seseorang yang membisikkan informasi berharga. Kini, kami menggunakan cahaya untuk 'mendengarkan' pesan-pesan tersembunyi dari elektron ini."

- Kandidat Ph.D. Nadav Am Shalom dari Universitas Ibrani

Teknik baru ini sebenarnya menawarkan alat yang non-invasif dan sangat sensitif untuk mengeksplorasi magnetisme dalam logam, tanpa memerlukan magnet besar atau kondisi kriogenik. 

Kesederhanaan dan ketepatan teknik ini juga dapat membantu para insinyur membangun sistem yang lebih hemat energi, prosesor yang lebih cepat, dan sensor dengan akurasi yang tinggi.

Tapi ini semua baru permulaan, dengan penelitian berbicara tentang memperluas spektrum material dalam pekerjaan masa depan. Kredensial mikro mencakup logam tambahan, film berlapis-lapis, semikonduktor, dan material topologi dan 2D. 

Selain itu, "pengukuran yang bergantung pada suhu sangat menarik, karena dapat memberikan wawasan penting mengenai mekanisme kebisingan dan mendukung pemahaman yang lebih mendalam mengenai asal-usulnya," demikian dinyatakan dalam penelitian tersebut.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana laser dapat mengubah bahan nonmagnetik menjadi magnetik.

Memperluas Efek Hall dengan Kemungkinan Baru

Selama setahun terakhir, para peneliti terus meneliti teknik efek Hall, mendorong batas-batas kemungkinan. Berdasarkan pengukuran Hall listrik klasik, para ilmuwan menemukan rezim baru, yang menandakan pergeseran transformatif. 

Kredensial mikro termasuk penemuan² efek Hall nonlinier (NLHE) yang signifikan pada suhu kamar dalam telurium (Te). Efek ini merupakan respons orde kedua terhadap arus bolak-balik (AC) yang diterapkan yang menghasilkan sinyal harmonik kedua tanpa memerlukan medan magnet luar. 

NLHE, anggota baru dari keluarga efek Hall, telah mendapatkan banyak perhatian karena -nya kemungkinan penggunaan dalam perangkat penggandaan dan penyearah frekuensi. Namun, tantangan seperti suhu kerja rendah dan keluaran tegangan hall rendah telah membatasi aplikasi praktisnya. 

Jadi, a Tim peneliti dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok (USTC) dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok (CAS) mencari sistem yang Menunjukkan NLHE yang luar biasa dalam bahan semikonduktor. Mereka kemudian melihat ke respon nonlinier telurium, elemen rapuh dan langka yang memiliki rantai heliks satu dimensi. Strukturnya secara inheren tidak memiliki simetri inversi, yang menjadikan Te kandidat yang sempurna.

Ketika mereka menguji serpihan tipis telurium (Te), mereka menemukan efek Hall nonlinier yang cukup besar pada suhu ruangan. Pada suhu 300 K, keluaran harmonik kedua maksimum sementara itu bisa pergi suatu urutan besarnya lebih tinggi dari rekor sebelumnya, setinggi 2.8 mV.

Setelah menyelam lebih dalam, NLHE mengamati serpihan tipis telurium ditemukan terutama merupakan hasil hamburan ekstrinsik. Di sini, pemecahan simetri permukaan struktur memainkan peran penting.

Berdasarkan bahwa, yang Arus AC telah diganti dengan sinyal frekuensi radio (RF) yang menyadari perbaikan RF nirkabel dalam serpihan tipis Te dan mencapai perbaikan yang stabil tegangan keluaran pada rentang 0.3 hingga 4.5 GHz. Dengan cara ini, penelitian ini membuka kemungkinan baru untuk pengembangan perangkat elektronik canggih.

Baru-baru ini, para peneliti dari University of New South Wales berfokus pada keadaan massal isolator topologi, Bi2Se3 dan Sb2Te3, dan ditemukan³ bahwa torsi Hall orbital mendominasi torsi Hall spin untuk konversi arus muatan menjadi arus spin yang efisien.

Keadaan massal menimbulkan OHE yang cukup besar, hingga 3 kali lipat lebih besar daripada SHE, dalam isolator topologi, sebagian karena momentum sudut orbital setiap elektron konduksi lebih besar daripada spinnya. 

Ia juga mencatat bahwa mengoptimalkan orbital untuk berputar konversi pada perangkat torsi putaran TI (isolator topologi) adalah kunci untuk memiliki kontrol yang lebih efisien atas magnetisasi, tetapi bahwa akan memerlukan teknik tingkat lanjut dan feromagnet khusus. 

Sementara itu, para peneliti dari Universitas Johannes Gutenberg menunjukkan⁴ an penggunaan efisien konduktivitas Hall orbital yang ditingkatkan dari lapisan Cr, Nb, dan Ru sepanjang dengan lapisan feromagnetik bermagnet tegak lurus untuk perangkat Memori Akses Acak Magnetik (MRAM) Spin-Orbit Torque (SOT). 

Perangkat SOT-MRAM menjanjikan kinerja, nonvolatilitas, dan efisiensi daya yang lebih baik dibandingkan dengan RAM statis. Untuk mencapai retensi data yang lama dan peralihan magnetisasi yang efisien pada perangkat ini, kami perlu feromagnet dengan anisotropi magnetik tegak lurus (PMA) dikombinasikan dengan torsi besar Pada meningkat oleh Efek Hall Orbital (OHE). 

Jadi, tim merancang PMA (Co/Ni)3 FM pada lapisan OHE terpilih dan menyelidiki potensi konduktivitas Hall orbital (OHC).

Hasilnya menunjukkan peningkatan efisiensi torsi sebesar 30% dan penurunan daya switching sebesar 60%, yang menyoroti "potensi menjanjikan dari pemanfaatan efek Hall orbital yang disempurnakan untuk mendorong kinerja perangkat SOT MRAM generasi berikutnya untuk aplikasi memori cache berkepadatan tinggi."

Berinvestasi dalam Teknologi Spintronik

Teknologi Everspin (MRAM ) secara aktif menggunakan spin elektron, alih-alih muatan, untuk menyimpan data. Perusahaan ini merupakan pengembang terkemuka solusi memori akses acak magnetoresistif (MRAM), sejenis RAM non-volatil yang menyimpan data dalam domain magnetik.

MRAM kegunaan sebuah elektron magnetisme spin untuk memberikan non-volatilitas dan toko informasi dalam bahan magnetik yang terintegrasi dengan sirkuit silikon untuk memberikan non-volatilitas Flash dan kecepatan SRAM di satu perangkat. 

Produk teknologi MRAM-nya meliputi Toggle MRAM, yang menyediakan memori kepadatan tinggi yang sederhana dengan berputar selamanya menggunakan desain sel Toggle yang dipatenkan untuk menawarkan keandalan yang tinggi. Produk lainnya adalah Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), yang menggunakan manipulasi spin elektron dengan arus polarisasi untuk membentuk keadaan magnetik MTJ yang diinginkan.

Teknologi Everspin (MRAM )

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $150 juta, saham MRAM saat ini diperdagangkan pada harga $6.68, naik 4.54% YTD. EPS (TTM)-nya adalah -0.01, dan P/E (TTM) adalah -451.35.

Untuk kuartal pertama yang berakhir pada 31 Maret 2025, perusahaan melaporkan total pendapatan sebesar $13.1 juta. Penjualan produk MRAM-nya, termasuk pendapatan Toggle dan STT-MRAM, mencapai $11 juta. Pendapatan dari lisensi, royalti, paten, dan lainnya mencapai $2.1 juta.

Selama periode ini, margin kotor adalah 51.4%, biaya operasional GAAP adalah $8.7 juta, kerugian bersih GAAP adalah $1.2 juta atau $(0.05) per saham dilusian, dan laba bersih non-GAAP adalah $0.4 juta atau $0.02 per saham dilusian.

Kas dan setara kas pada akhir kuartal meningkat menjadi $42.2 juta.

Tahun ini, Everspin juga mendapatkan kontrak dari Universitas Purdue untuk memanfaatkan MRAM-nya sebagai dasar dalam program yang disebut CHEETA (Perangkat Keras CMOS+MRAM untuk Hemat energi AI). Sementara itu, PERSYST MRAM-nya divalidasi untuk konfigurasi di seluruh FPGA Lattice Semiconductor.

Awal tahun ini, perusahaan mengumumkan dua produk baru sebagai bagian dari keluarga Orion xSPI, yang menampilkan rentang suhu otomotif untuk kebutuhan memori persisten dan berkecepatan tinggi di lingkungan ekstrem. 

"Kami berharap pelanggan lama dan baru kami akan menggunakan produk dan teknologi MRAM Everspin yang tangguh dalam aplikasi penting seperti ini melalui desain yang unggul dan program Strategic Radiation Hard untuk aplikasi memori dan FPGA." 

– Aggarwal

Berita dan Perkembangan Saham Everspin Technologies (MRAM) Terbaru

Kesimpulan

Dengan setiap penelitian baru, para peneliti mengungkap apa yang para ilmuwan tidak bisa selama bertahun-tahun. Yang terbaru melakukan hal itu dengan tepat by memutar sinyal optik samar menjadi kehadiran magnetik yang jelas, menciptakan cara untuk non-invasif penyelidikan spin elektron. Selain itu, mereka juga mengungkapkan bahwa apa yang dulunya tampak sebagai kebisingan sebenarnya mengandung makna yang kaya putaran-orbit informasi dan bahwa berpotensi mengubah desain spintronik, memori magnetik, dan teknologi kuantum, menghasilkan perangkat yang lebih hemat energi dan peningkatan kapasitas penyimpanan data.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana terobosan memori Ni₄W akan memungkinkan peralihan bebas magnet.

Referensi:

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Sakit, C.; Lipat, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfrey, A.; Bromley, ST; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, DR; Stiles, MD; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. Teknik MOKE dan Efek Hall Optik yang Sensitif pada Panjang Gelombang Tampak: Wawasan tentang Peredaman Gilbert. Alam Komunikasi, 16, 6423 (2025). Diterbitkan daring pada 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. Aula Nonlinier Raksasa dan Efek Rektifikasi Nirkabel pada Suhu Kamar di Elemental Semikonduktor Telurium. Alam Komunikasi, 15, 5513 (2024). Diterbitkan daring pada 29 Juni 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, JH; Liu, H.; Culcer, D. Efek Hall orbital raksasa akibat keadaan massal isolator topologi 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Diterbitkan daring pada 3 Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Gupta, R.; Dewan, C.; Kammerbauer, F.; Shin, H.; Tang, P.; Shukla, N.; Kundu, A.; Sin, S.; Finizio, S.; Heidler, J.; López-Díaz, L.; Klaui, M.; Jakob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, MB; Telah, M.; Garg, C.; Parkin, SSP Memanfaatkan Efek Orbital Hall dalam MRAM Torsi Spin-Orbit. Alam Komunikasi, 16, 130 (2025). Diterbitkan daring pada 2 Januari 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x