Informatica
Il laser rivela il magnetismo nascosto nei metalli di uso quotidiano
Il mondo della tecnologia sta progredendo rapidamente e i ricercatori fanno scoperte ogni giorno. Proprio la scorsa settimana, gli scienziati hanno pubblicato il loro lavoro, che ha risolto un vecchio mistero della fisica.
Condotto da ricercatori dell'Università Ebraica in collaborazione con la Pennsylvania State University e l'Università di Manchester, lo studio ha rilevato sottili segnali magnetici in metalli che normalmente non sono magnetici, utilizzando solo luce e un metodo laser modificato.
Questi deboli effetti magnetici, che sono più simili a "sussurri", nei materiali non magnetici erano precedentemente impercettibili per ovvie ragioni: erano semplicemente troppo piccoli. Ma ora le cose sono cambiate. Questi effetti sono misurabili, Divulgatrice nuovi modelli di comportamento degli elettroni che sono stati nascosto fino a questo studio.
Con questa scoperta, gli scienziati hanno completamente trasformato come studiamo il magnetismo nei materiali di uso quotidiano, senza fili o strumenti ingombranti. Questo potuto anche aprire nuove strade all'archiviazione dei dati, all'informatica quantistica e a dispositivi elettronici più piccoli, più veloci e più avanzati.
Svelare la sottile risposta magnetica nei metalli "silenziosi"
Pubblicato in rivista Nature Communications1, lo studio dettagli a nuovo modo per identificare i piccoli segnali magnetici nei metalli come oro (Au), rame (Cu), alluminio (Al), tantalio (Ta) e platino (Pt).
Migliori cosa è, sappiamo da tempo che le correnti elettriche si piegano in un campo magnetico, che è l'effetto Hall. Questo effetto è particolarmente forte e ben noto nei materiali magnetici come ferro, ma quando si tratta di metalli comuni e non magnetici come l'oro, l'effetto è piuttosto debole.
L'effetto Hall ottico (OHE), un fenomeno correlato, dovrebbe aiutare a visualizzare il comportamento degli elettroni quando la luce e i campi magnetici interagiscono.
Ma questo è solo in teoria, poiché alle lunghezze d'onda visibili l'effetto OHE è troppo sottile perché gli scienziati possano rilevarlo. So, while we sapere che l'effetto è lì, ci mancano gli strumenti per misurarlo effettivamente.
Era come cercare di sentire un sussurro in una stanza rumorosa per decenni. Tutti sapevano che il sussurro era lì, ma non avevamo un microfono abbastanza sensibile per sentirlo.
– Professor Amir Capua dell’Istituto di Ingegneria Elettrica e Fisica Applicata dell’Università Ebraica
Come ha spiegato il Prof. Capua, si ritiene che questi metalli, come il rame e l'oro, siano "magneticamente 'silenziosi'". Ad esempio, questi materiali, oro e rame, non aderiscono al frigorifero come il ferro. "Ma in realtà, nelle giuste condizioni, reagiscono ai campi magnetici, solo in modi estremamente sottili", ha aggiunto. Ed è sempre stata una sfida osservare questi deboli effetti.
Quindi, in collaborazione con altre università, i ricercatori hanno continuato a indagare ad appena come rilevarli veramente piccoli effetti magnetici in materiali che non sono magnetici.
Per questo, si sono rivolti a una tecnica chiamata effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) e l'hanno migliorata. Con il metodo MOKE, un laser viene usato per misurare come il magnetismo influenza la direzione della luce.
Lo studio osserva che, poiché l'effetto Hall anomalo (AHE) osservato nei ferromagneti (materiali come ferro, nichel o cobalto con allineamento parallelo a lungo raggio dei momenti atomici che determina una magnetizzazione netta spontanea) è molto più intenso dell'effetto Hall ordinario (OHE), l'effetto Hall ottico è molto più debole dell'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE). È così debole che difficilmente può essere rilevato nella luce visibile.
Ecco perché è stata modificata la tecnica MOKE. I ricercatori hanno presentato la tecnica MOKE, che si basa sulla grande ampiezza modulazione del campo magnetico applicato esternamente. Per farlo, hanno utilizzato dei magneti permanenti posizionati su un disco rotante.
I ricercatori hanno combinato questo con un laser blu da 440 nm, che ha permesso loro per aumentare significativamente la sensibilità della tecnica. Di conseguenza, sono stati in grado di rilevare gli “echi” magnetici nei metalli non magnetici, che Prima in precedenza quasi impossibile da raggiungere. Lo studio ha osservato:
“La sensibilità superiore della tecnica apre la strada alla scoperta di nuovi fenomeni e applicazioni, come la determinazione ottica dell’interazione spin-orbita.”
L'eco ottica rivela segnali magnetici nascosti nei metalli
Le misurazioni Hall sono una tecnica fondamentale nella ricerca sui materiali e nella fisica dello stato solido. L'effetto Hall consente per studiare i materiali su scala atomica e scopri quanti sono elettroni sono in un metallo. È fondamentale per colmare il divario tra ricerca fondamentale e applicazioni pratiche.
Tuttavia, misurare l'effetto è tradizionalmente un processo complicato e che richiede molto tempo, soprattutto quando si lavora con componenti molto piccoli, su scala nanometrica.. Per questo gli scienziati hanno per prima cosa collegare i fili al dispositivo, ma non più.
Il nuovo approccio è molto semplice: necessita solo di un laser per essere brillato sul dispositivo elettrico.
Come ha osservato il Prof. Capua, persino Edwin Hall, che scoprì l'effetto Hall, non ebbe successo quando tentò di misurarlo utilizzando un fascio di luce. Come Hall riassunse nella frase conclusiva del suo articolo del 1881:
“Penso che se l’azione dell’argento fosse stata un decimo più forte di quella del ferro, l'effetto sarebbe stato rilevatoNessun effetto del genere è stato osservato. "
Ma nella ricerca più recente, gli scienziati hanno effettivamente osservato l'effetto "sintonizzandosi sulla frequenza giusta e sapendo dove guardare", ha affermato il Prof. Capua.
Grazie a ciò, il team ha "trovato un modo per misurare ciò che un tempo si pensava invisibile", ha aggiunto il Prof. Capua. "Questa ricerca trasforma un problema scientifico vecchio di quasi 150 anni in una nuova opportunità".
Analizzando ulteriormente il fenomeno, il team ha scoperto che ciò che sembrava un "rumore" casuale nel segnale non era poi così casuale, ma aveva un significato e uno schema chiari.
Il modello seguito era correlato all'accoppiamento spin-orbita (SOC). Questa proprietà quantistica collega come si muovono gli elettroni a come si muovono spin, che influenza il modo in cui l'energia magnetica si dissipa nei materiali.
Le nuove conoscenze acquisite hanno implicazioni dirette e significative per la progettazione di dispositivi spintronici, memorie magnetiche e sistemi quantistici.
È come scoprire che il rumore di fondo di una radio non è solo un'interferenza, ma qualcuno che sussurra informazioni preziose. Ora usiamo la luce per "ascoltare" questi messaggi nascosti provenienti dagli elettroni.
- Dottorando Nadav Am Shalom dell'Università Ebraica
La nuova tecnica offre in realtà uno strumento non invasivo e altamente sensibile per esplorare il magnetismo nei metalli, senza richiedere magneti massicci o condizioni criogeniche.
La semplicità e la precisione della tecnica potrebbero inoltre aiutare gli ingegneri a realizzare sistemi più efficienti dal punto di vista energetico, processori più veloci e sensori con elevata accuratezza.
Ma questo è contro tutti i solo l'inizio, con lo studio parlando di ampliando lo spettro dei materiali nei lavori futuri. Questo include metalli aggiuntivi, film multistrato, semiconduttori e materiali topologici e 2D.
Inoltre, "una misurazione dipendente dalla temperatura è di particolare interesse, poiché potrebbe offrire informazioni chiave sui meccanismi del rumore e supportare una comprensione più approfondita della loro origine", afferma lo studio.
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Ampliare l'effetto Hall con nuove possibilità
Nell'ultimo anno, i ricercatori hanno continuato a studiare le tecniche dell'effetto Hall, spingendosi oltre i limiti del possibile. Basandosi sulle classiche misurazioni dell'effetto Hall elettrico, gli scienziati stanno scoprendo nuovi regimi, che segnalano un cambiamento radicale.
Questo comprende la scoperta2 di significativi effetti Hall non lineari (NLHE) a temperatura ambiente nel tellurio (Te). L'effetto è una risposta di secondo ordine a una corrente alternata (CA) applicata che genera segnali di seconda armonica senza bisogno di un campo magnetico esterno.
NLHE, un nuovo membro della famiglia dell'effetto Hall, è stato ottenendo un sacco di attenzione a causa di la sua possibile utilizzo nei dispositivi di raddoppio e rettifica della frequenza. Tuttavia, sfide quali le basse temperature di esercizio e le basse tensioni di Hall in uscita ne hanno limitato le applicazioni pratiche.
Quindi, un Un team di ricerca dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha cercato sistemi che mostrare attraverso le sue creazioni notevole NLHE nei materiali semiconduttori. Loro allora guardato dentro la risposta non lineare del tellurio, un elemento fragile e raro che ha una catena elicoidale unidimensionale. La sua struttura è intrinsecamente priva di simmetria di inversione, il che rende Te il candidato perfetto.
Quando hanno messo alla prova sottili scaglie di tellurio (Te), hanno scoperto notevoli effetti Hall non lineari a temperatura ambiente. A una temperatura di 300 K, la massima uscita della seconda armonica nel frattempo può andare un ordine di grandezza superiore ai record precedenti, fino a 2.8 mV.
Dopo un'immersione più profonda, l'NLHE è stato osservato nei sottili fiocchi di tellurio è stato trovato essere principalmente il risultato di scattering estrinseco. In questo caso, la rottura della simmetria superficiale della struttura ha giocato un ruolo cruciale.
Sulla base che, l' Corrente AC è stato rimpiazzato tramite segnali a radiofrequenza (RF) che ha realizzato rettifica RF wireless in fiocchi sottili di Te e rettifica stabile ottenuta voltaggio uscita su un intervallo da 0.3 a 4.5 GHz. In questo modo lo studio apre nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi elettronici avanzati.
Recentemente, i ricercatori dell'Università del New South Wales si sono concentrati sugli stati di massa degli isolanti topologici, Bi2Se3 e Sb2Te3, e essere trovato3 che la coppia Hall orbitale domina la coppia Hall di spin per una conversione efficiente della corrente di carica in corrente di spin.
Gli stati di massa danno origine a un OHE considerevole, fino a 3 ordini di grandezza più grande dello SHE, negli isolanti topologici, in parte dovuto al fatto che il momento angolare orbitale di ciascun elettrone di conduzione è maggiore del suo spin.
Ha inoltre rilevato che l'ottimizzazione dell' orbitale da girare la conversione nei dispositivi di coppia di spin TI (isolanti topologici) è fondamentale per avendo controllo più efficiente sulla magnetizzazione, ma che richiederà tecniche avanzate e ferromagneti specifici.
Nel frattempo, i ricercatori dell'Università Johannes Gutenberg ha mostrato4 an uso efficiente della conduttività orbitale Hall migliorata degli strati di Cr, Nb e Ru lungo con uno strato ferromagnetico magnetizzato perpendicolarmente per dispositivi di memoria ad accesso casuale magnetico (MRAM) Spin-Orbit Torque (SOT).
I dispositivi SOT-MRAM promettono migliori prestazioni, non volatilità ed efficienza energetica rispetto alla RAM statica. Per ottenere una lunga conservazione dei dati e una commutazione efficiente della magnetizzazione in questi dispositivi, bisogno ferromagneti con anisotropia magnetica perpendicolare (PMA) combinati con grandi coppie è aumentato dall'effetto Hall orbitale (OHE).
Pertanto, il team ha progettato un PMA (Co/Ni)3 FM su strati OHE selezionati e ha studiato il potenziale della conduttività orbitale Hall (OHC).
I risultati mostrano un miglioramento del 30% nell'efficienza di coppia e una riduzione del 60% nella potenza di commutazione, evidenziando il "promettente potenziale di sfruttare l'effetto Hall orbitale migliorato per incrementare le prestazioni della prossima generazione di dispositivi SOT MRAM per applicazioni di memoria cache compattata ad alta densità".
| Tipo di effetto Hall | Campo magnetico richiesto | La potenza del segnale | Materiali applicabili | Casi di uso comune |
|---|---|---|---|---|
| Effetto Hall ordinario | Si | Debole | Tutti i conduttori | Misurazioni di base della densità dei portatori |
| Effetto Hall anomalo | Si | Forte | Ferromagneti (Fe, Ni, Co) | Ricerca spintronica |
| Effetto Hall ottico (OHE) | Si | Molto debole | Tutti, ma difficili da rilevare nella luce visibile | Esplorazione delle interazioni spin-orbita |
| Effetto Hall non lineare | No (a corrente alternata) | Moderato | Semiconduttori non centrosimmetrici | Raddrizzatori wireless, duplicatori di frequenza |
| Effetto Hall orbitale | Non | Resistente in alcuni materiali | Isolanti topologici, metalli di transizione | Memoria di coppia di spin, MRAM |
Investire nella tecnologia spintronica
Tecnologie Everspin (MRAM ) Utilizza attivamente lo spin degli elettroni anziché la carica per memorizzare i dati. È un'azienda leader nello sviluppo di soluzioni di memoria ad accesso casuale magnetoresistiva (MRAM), un tipo di RAM non volatile che memorizza i dati in domini magnetici.
MRAM usa un elettrone magnetismo dello spin per fornire non volatilità e negozi informazioni in materiale magnetico integrate con circuiti in silicio per fornire la non volatilità della Flash e la velocità della SRAM in prima e leggero dispositivo.
I suoi prodotti con tecnologia MRAM includono Toggle MRAM, che fornisce una memoria semplice e ad alta densità con Everspin utilizzando un design brevettato della cella Toggle per offrire elevata affidabilità. L'altro suo prodotto è lo Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), che sfrutta la manipolazione dello spin degli elettroni con una corrente polarizzante per stabilire lo stato magnetico desiderato di MTJ.
Tecnologie Everspin (MRAM )
Con una capitalizzazione di mercato di 150 milioni di dollari, le azioni di MRAM sono attualmente scambiate a 6.68 dollari, in rialzo del 4.54% da inizio anno. L'utile per azione (TTM) è di -0.01 e il rapporto prezzo/utili (TTM) è di -451.35.
Nel primo trimestre conclusosi il 31 marzo 2025, l'azienda ha registrato un fatturato totale di 13.1 milioni di dollari. Le vendite di prodotti MRAM, inclusi i ricavi da Toggle e STT-MRAM, sono state pari a 11 milioni di dollari. I ricavi da licenze, royalty, brevetti e altri proventi sono stati pari a 2.1 milioni di dollari.
(MRAM )
In questo periodo, il margine lordo è stato del 51.4%, le spese operative GAAP sono state pari a 8.7 milioni di dollari, la perdita netta GAAP è stata di 1.2 milioni di dollari o $(0.05) per azione diluita e l'utile netto non GAAP è stato di 0.4 milioni di dollari o $0.02 per azione diluita.
Alla fine del trimestre la liquidità e le disponibilità liquide sono aumentate a 42.2 milioni di dollari.
Quest'anno, Everspin si è anche assicurata un contratto dalla Purdue University per utilizzare la sua MRAM come sostegno in un programma chiamato CHEETA (CMOS+MRAM Hardware per Energy Efficient AI). Nel frattempo, la sua PERSYST MRAM è stata convalidata per la configurazione su tutti gli FPGA di Lattice Semiconductor.
All'inizio di quest'anno, l'azienda ha annunciato due nuovi prodotti della famiglia Orion xSPI, caratterizzati da un intervallo di temperature automobilistico per requisiti di memoria persistenti e ad alta velocità in ambienti estremi.
"Ci aspettiamo che i nostri clienti, attuali e nuovi, implementino i robusti prodotti e la tecnologia MRAM di Everspin in queste applicazioni mission-critical attraverso progetti vincenti e programmi Strategic Radiation Hard per applicazioni di memoria e FPGA."
– Aggarwal
Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di Everspin Technologies (MRAM)
Conclusione
Con ogni nuovo studio, i ricercatori scoprono ciò che gli scienziati non poteva per anni. L'ultima fa esattamente questo by girando il deboli segnali ottici in una chiara presenza magnetica, creando un nuovo modo per non invasivo sondaggio dello spin elettronico. Inoltre, hanno rivelato che ciò che una volta appariva come rumore in realtà codifica ricchi spin-orbita generali e che può potenzialmente trasformare la progettazione spintronica, la memoria magnetica e le tecnologie quantistiche, dando vita a dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico e con una maggiore capacità di archiviazione dei dati.
Riferimenti:
1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Illg, C.; Földes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfredo, A.; Bromley, ST; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, DR; Stiles, MD; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. Una tecnica MOKE sensibile e ad effetto Hall ottico a lunghezze d'onda visibili: approfondimenti sullo smorzamento di Gilbert. Nature Communications, 16, 6423 (2025). Pubblicato online il 17 luglio 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. Sala gigante non lineare ed effetti di rettifica wireless a temperatura ambiente nel tellurio dei semiconduttori elementari. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Pubblicato online il 29 giugno 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, JH; Liu, H.; Culcer, D. Effetto Hall orbitale gigante dovuto agli stati di massa degli isolanti topologici 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Pubblicato online il 3 giugno 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, MB; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, SSP che sfrutta l'effetto Hall orbitale nella MRAM di coppia spin-orbita. Nature Communications, 16, 130 (2025). Pubblicato online il 2 gennaio 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
