Лазер виявляє прихований магнетизм у звичайних металах

Світ технологій стрімко розвивається, і дослідники щодня роблять відкриття. Лише минулого тижня вчені опублікували свою роботу, яка розгадав стару фізичну таємницю.

Дослідження, проведене дослідниками з Єврейського університету у співпраці з Університетом штату Пенсильванія та Манчестерським університетом, виявило ледь помітні магнітні сигнали в металах, які зазвичай не є магнітними, використовуючи лише світло та модифікований лазерний метод.

Ці слабкі магнітні ефекти, які більше схожі на «шепіт», у немагнітних матеріалах раніше були невиявними з очевидних причин; вони були просто занадто малими. Але тепер це змінилося. Ці ефекти можна виміряти, розкриття нові закономірності поведінки електронів, які були прихований до цього дослідження.

З цим відкриттям вчені повністю змінили як ми досліджуємо магнетизм у повсякденних матеріалах, без дроти або громіздкі інструменти. Цей може навіть відкривають шляхи до сховищ пам'яті, квантових обчислень та меншої, швидшої та досконалішої електроніки.

Розкриття тонкої магнітної реакції в «спокійних» металах

Опубліковано в журнал Nature Communications¹, навчання деталі a новий спосіб ідентифікації крихітних магнітні сигнали в металах як золото (Au), мідь (Cu), алюміній (Al), тантал (Ta) і платина (Pt).

Команда річ тобто, ми давно знаємо, що електричні струми викривляються в магнітному полі, який ефект Холла. Цей ефект особливо сильний і добре відомий у магнітних матеріалах як залізо, але коли йдеться про звичайні немагнітні метали, такі як золото, ефект досить слабкий.

Оптичний ефект Холла (ОЕ), пов'язане явище, має допомогти візуалізувати поведінку електронів коли світлове та магнітне поля взаємодіють. 

Але це лише в теорії, оскільки на видимих довжинах хвиль ефект OHE занадто тонкий, щоб його могли виявити вчені. So, в той час як we знаю, що ефект є там, нам бракує інструментів насправді виміряти це.

«Це було схоже на спроби почути шепіт у галасливій кімнаті протягом десятиліть. Усі знали, що шепіт чути, але у нас не було достатньо чутливого мікрофона, щоб його почути».

– Професор Амір Капуа з Інституту електротехніки та прикладної фізики Єврейського університету

Як пояснив професор Капуа, ці метали, як-от мідь і золото, вважаються «магнітно «тихими»». Наприклад, ці матеріали, золото та мідь, не прилипають до холодильника, як залізо. «Але насправді, за певних умов, вони реагують на магнітні поля — просто надзвичайно ледь помітно», — додав він. І спостерігати ці слабкі ефекти завжди було складно.

Отже, в У співпраці з іншими університетами дослідники продовжили дослідження просто як їх виявити насправді невеликі магнітні ефекти в матеріалах, які не є магнітними. 

Для цього вони звернулися до методу, який називається магнітооптичним ефектом Керра (MOKE), та вдосконалили його. За методом MOKE лазер використовується виміряти, як магнетизм впливає на напрямок світла.

У дослідженні зазначається, що оскільки аномальний ефект Холла (AHE), що спостерігається у феромагнетиках (матеріалах, таких як залізо, нікель або кобальт з далеким паралельним вирівнюванням атомних моментів, що призводить до спонтанної чистої намагніченості), набагато сильніший за звичайний ефект Холла (OHE), оптичний ефект Холла набагато слабший за магнітооптичний ефект Керра (MOKE). Він настільки слабкий, що його навряд чи можна виявити у видимому світлі.

Отже, причина зміни техніки MOKE. Дослідники представили методику MOKE, яка базується на великої амплітуди модуляція зовнішнього магнітного поля. Для цього вони використовували постійні магніти, розміщені на обертовому диску.

Дослідники поєднали це з синім лазером 440 нм, що дозволило їм значно підвищити чутливість методики. В результаті їм вдалося виявити магнітні «відлуння» в немагнітних металах, які було раніше приблизно неможливо досягти. У дослідженні зазначалося:

«Вища чутливість цієї методики відкриває шлях до відкриття нових явищ та застосувань, таких як оптичне визначення спін-орбітальної взаємодії». 

Оптичне відлуння виявляє приховані магнітні сигнали в металах

Вимірювання Холла є ключовим методом у дослідженні матеріалів та фізиці твердого тіла. Ефект Холла дозволяє нам вивчати матеріали в атомному масштабі та дізнатися, скільки саме електрони він має у металі. Це має вирішальне значення для подолання розриву між фундаментальними дослідженнями та практичним застосуванням.

Однак вимірювання ефекту традиційно є складним і трудомістким процесом, особливо при роботі з компонентами, які є дуже малими, нанометрового масштабу.. Для цього вчені спочатку підключити дроти до пристрою, Але більше ні.

Новий підхід дуже простий; для цього потрібен лише лазер сяяти на електричному пристрої.

Як зазначав професор Капуа, навіть Едвін Холл, який відкрив ефект Холла, не досяг успіху, коли намагався виміряти його за допомогою променя світла. Як Холл підсумував у заключному реченні своєї статті ще в 1881 році:

«Я думаю, що якби дія срібла була вдесятеро сильнішою за дія заліза, ефект був би виявленийТакого ефекту немає. спостерігалося». 

Але в останніх дослідженнях вчені справді спостерігали ефект, «налаштовуючись на правильну частоту — і знаючи, де шукати», — сказав професор Капуа. 

Завдяки цьому команда «знайшла спосіб виміряти те, що колись вважалося невидимим», – додав професор Капуа. – «Це дослідження перетворює майже 150-річну наукову проблему на нову можливість».

Ще глибший пошук допоміг команді виявити, що те, що здавалося випадковим «шумом» у їхньому сигналі, насправді не було таким вже й випадковим, а мало чітке значення та закономірність. 

Далі описана закономірність була пов'язана зі спін-орбітальним зв'язком (СОВ). Ця квантова властивість пов'язує як електрони рухаються, як вони спін, який впливає на те, як магнітна енергія розсіюється в матеріалах. 

Нові отримані дані мають прямі та значні наслідки для розробки спінтронних пристроїв, магнітної пам'яті та квантових систем.

«Це як відкрити, що статичний шум у радіо — це не просто перешкоди, а шепіт цінної інформації. Тепер ми використовуємо світло, щоб «прослухати» ці приховані повідомлення від електронів».

- Кандидат наук Надав Ам Шалом з Єврейського університету

Нова методика фактично пропонує неінвазивний, високочутливий інструмент для дослідження магнетизму в металах, без необхідності... масивні магніти або кріогенні умови. 

Простота та точність цієї методики також можуть допомогти інженерам створювати енергоефективніші системи, швидші процесори та датчики з високою точністю.

Можливості це всі лише початок, з Дослідження говорити про розширення спектру матеріалів у майбутній роботі. Цей включає додаткові метали, багатошарові плівки, напівпровідники, а також топологічні та двовимірні матеріали. 

Також, у дослідженні йдеться, що «вимірювання, що залежить від температури, представляє особливий інтерес, оскільки воно може дати ключове розуміння механізмів шуму та покласти основу для глибшого розуміння їх походження».

Натисніть тут, щоб дізнатися, як лазери можуть перетворювати немагнітні матеріали на магнітні.

Розширення ефекту Холла з новими можливостями

Протягом минулого року дослідники продовжували вивчати методи вимірювання ефекту Холла, розширюючи межі можливого. Спираючись на класичні вимірювання електричного ефекту Холла, вчені відкривають нові режими, що сигналізує про трансформаційний зсув. 

Цей включає в себе відкриття² значних нелінійних ефектів Холла (НЛЕХ) за кімнатної температури в телурі (Te). Ефект являє собою реакцію другого порядку на прикладений змінний струм (AC), який генерує сигнали другої гармоніки без необхідності зовнішнє магнітне поле. 

NLHE, новий член родини ефектів Холла, був отримувати багато увагу через його можливе використання у пристроях подвоєння та випрямлення частоти. Однак такі проблеми, як низькі робочі температури та низька вихідна напруга Холла, обмежують його практичне застосування. 

Отже, a Дослідницька група з Університету науки і технологій Китаю (USTC) Китайської академії наук (CAS) шукала системи, які Показувати чудовий нелінійний електронагріт (НЛТЕ) у напівпровідникових матеріалах. Вони тоді розглянув нелінійна реакція телуру, крихкого та рідкісного елемента, який має одновимірний спіральний ланцюг. Його структурі за своєю суттю бракує інверсійної симетрії, що робить Te ідеальним кандидатом.

Коли вони випробували тонкі пластівці телуру (Te), то виявили значні нелінійні ефекти Холла за кімнатної температури. При температурі 300 K максимальний вихід другої гармоніки тим часом може піти порядку величини вище за попередні рекорди, аж до 2.8 мВ.

Під час глибшого занурення NLHE спостерігав у тонких пластівцях телуру був знайдений головним чином результатом зовнішнього розсіювання. Тут вирішальну роль відіграло порушення симетрії поверхні структури.

На основі Що, Струм змінного струму було замінено радіочастотними (РЧ) сигналами що зрозумів бездротове радіочастотне випрямлення в тонких пластівцях Te та досягнення стабільного випрямлення напруга вихідний сигнал у діапазоні від 0.3 до 4.5 ГГц. Таким чином, дослідження відкриває нові можливості для розробки передових електронних пристроїв.

Нещодавно дослідники з Університету Нового Південного Уельсу зосередилися на об'ємних станах топологічних ізоляторів Bi2Se3 та Sb2Te3, а також знайдений³ що орбітальний момент Холла домінує над спіновим моментом Холла для ефективного перетворення струму заряду в спіновий струм.

Об'ємні стани призводять до утворення значного OHE, до 3 порядків величини більшого, ніж SHE, у топологічних ізоляторах, частково через те, що орбітальний кутовий момент кожного електрона провідності більший за його спін. 

Також зазначалося, що оптимізація орбітальний обертатися перетворення в пристроях обертання обертального моменту TI (топологічних ізоляторів) є ключовим для має ефективніший контроль над намагніченістю, але Що вимагатиме передових методів та спеціальних феромагнетиків. 

Тим часом дослідники з Університету Йоганнеса Гутенберга показав⁴ an ефективне використання покращеної орбітальної холлівської провідності шарів Cr, Nb та Ru по з перпендикулярно намагніченим феромагнітним шаром для пристроїв магнітної пам'яті з довільним доступом (MRAM) зі спін-орбітальним моментом (SOT). 

Пристрої SOT-MRAM обіцяють кращу продуктивність, енергонезалежність та енергоефективність порівняно зі статичною оперативною пам'яттю. Щоб досягти тривалого збереження даних та ефективного перемикання намагнічування в цих пристроях, ми необхідність феромагнетики з перпендикулярною магнітною анізотропією (ПМА) у поєднанні з великими крутними моментами збільшений за допомогою орбітального ефекту Холла (ОЕХ). 

Отже, команда розробила PMA (Co/Ni)3 FM на вибраних шарах OHE та дослідила потенціал орбітальної холлівської провідності (OHC).

Результати показують 30% покращення ефективності крутного моменту та 60% зниження комутаційної потужності, що підкреслює «перспективний потенціал використання покращеного орбітального ефекту Холла для підвищення продуктивності пристроїв SOT MRAM наступного покоління для застосувань кеш-пам'яті високої щільності».

Інвестування в технології Spintronics

Everspin Technologies (MRAM ) Активно використовує спін електронів, а не заряд, для зберігання даних. Це провідний розробник рішень магніторезистивної пам'яті з довільним доступом (MRAM) – типу енергонезалежної оперативної пам'яті, яка зберігає дані в магнітних доменах.

MRAM використовує електрон спіновий магнетизм забезпечити енергонезалежність і магазини інформація з магнітного матеріалу, інтегрована з кремнієвою схемою, що забезпечує енергонезалежність флеш-пам'яті та швидкість SRAM у один пристрої. 

Її продукти технології MRAM включають Toggle MRAM, яка забезпечує просту пам'ять високої щільності. з Everspin використання запатентована конструкція перемикальних комірок для забезпечення високої надійності. Іншим її продуктом є Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), який використовує маніпуляцію спіном електронів за допомогою поляризаційного струму для встановлення бажаного магнітного стану MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

З ринковою капіталізацією в 150 мільйонів доларів, акції MRAM зараз торгуються за ціною 6.68 долара, що на 4.54% більше, ніж за рік. Їхній прибуток на акцію (TTM) становить -0.01, а коефіцієнт P/E (TTM) – -451.35.

За перший квартал, що закінчився 31 березня 2025 року, компанія повідомила про загальний дохід у розмірі 13.1 мільйона доларів. Продажі її продуктів MRAM, включаючи дохід від Toggle та STT-MRAM, тим часом склали 11 мільйонів доларів. Дохід від ліцензування, роялті, патентів та інших доходів склав 2.1 мільйона доларів.

Протягом цього періоду валова маржа становила 51.4%, операційні витрати за GAAP – 8.7 млн доларів США, чистий збиток за GAAP – 1.2 млн доларів США або (0.05) долара США на розведену акцію, а чистий прибуток без урахування GAAP – 0.4 млн доларів США або (0.02) долара США на розведену акцію.

Грошові кошти та їх еквіваленти на кінець кварталу зросли до 42.2 млн доларів.

Цього року Everspin також уклала контракт з Університетом Пердью на використання їхньої MRAM як підкріплення програма під назвою CHEETA (CMOS+MRAM апаратне забезпечення для Енергоефективними AI). Тим часом, його PERSYST MRAM пройшов перевірку для конфігурації на всіх FPGA від Lattice Semiconductor.

Раніше цього року компанія анонсувала два нові продукти в рамках своєї родини Orion xSPI, що мають автомобільний температурний діапазон для забезпечення стійкої високошвидкісної пам'яті в екстремальних умовах. 

«Ми очікуємо, що наші існуючі та нові клієнти впроваджуватимуть надійні продукти та технології MRAM від Everspin у таких критично важливих застосуваннях завдяки виграним конструкторським рішенням та стратегічним програмам радіаційної стійкості для пам'яті та FPGA». 

– Аггарвал

Останні новини та події щодо акцій Everspin Technologies (MRAM)

Висновок

З кожним новим дослідженням дослідники виявляють те, що вчені не міг протягом багатьох років. Останній робить саме це by поворот слабкі оптичні сигнали в чітку магнітну присутність, створюючи нову шлях та цінності неінвазивний зондування спіну електронів. Більше того, вони виявили, що те, що колись виглядало як шум, насправді кодує багатий спін-орбіта інформація і що потенційно може трансформувати спінтроніку, магнітну пам'ять та квантові технології, що призведе до створення більш енергоефективних пристроїв та покращеної ємності зберігання даних.

Натисніть тут, щоб дізнатися, як прорив у пам'яті Ni₄W забезпечить перемикання без магнітів.

Список використаної літератури:

1. Ам-Шалом, Н.; Ротшильд, А.; Бернштейн, Н.; Гінзбург, Н.; Віннікомб, Х.; Illg, C.; Фелдес, Д.; Колел-Ветіл, М.; Альфрі, А.; Бромлі, ST; Барб'єлліні, Б.; Еверсхор-Сітте, К.; Мішра, С.; Хаїм, М.; Ліфшиц Є.; Хаманн, DR; Стайлз, доктор медичних наук; Шектер, М.; Sztenkiel, D.; Капітульник, А. Чутливий метод MOKE та оптичного ефекту Холла на видимих довжинах хвиль: розуміння затухання Гілберта. Природа зв'язку, 16, 6423 (2025). Опубліковано онлайн 17 липня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
2. Ченг, Б.; Гао, Ю.; Чжен, З.; Ван, К.; Лю, X.; Лі, З.; Ван, Г.; Лю, Ю.; Хуан, Дж.; Лай, Дж.; Сюй, Ч.; Чжан, Ю.; Чжао, Ю.; Ван, Дж.; Лін, X.; Сюй, X.; Лу, Х.; Xu, Y. Ефекти гігантського нелінійного Холла та бездротового випрямлення при кімнатній температурі в елементарному напівпровідниковому телурі. Природа зв'язку, 15, 5513 (2024). Опубліковано онлайн 29 червня 2024 року. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Каллен, Дж. Г.; Лю, Г.; Калсер, Д. Гігантський орбітальний ефект Холла, зумовлений об'ємними станами тривимірних топологічних ізоляторів. npj Спінтроніка, 3, 22 (2025). Опубліковано онлайн 3 червня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Гупта, Р.; Борд, С.; Каммербауер, Ф.; Шин, Х.; Тан, П.; Шукла, Н.; Кунду, А.; Сінн, С.; Фініціо, С.; Хайдлер, Дж.; Лопес-Діас, Л.; Кляуї, М.; Якоб, Г.; Кронаст, Ф.; Юнгфляйш, М.Б.; Бінс, М.; Гарг, К.; Parkin, SSP Використання орбітального ефекту Холла в спін-орбітальному крутному моменті MRAM. Природа зв'язку, 16, 130 (2025). Опубліковано онлайн 2 січня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x