Ett team av forskare har utvecklat en kraftfull ny metod för att upptäcka svaga magnetiska signaler i vanliga metaller som koppar, guld och aluminium – med hjälp av endast ljus och en smart teknik. Deras forskning, som nyligen publicerades i Nature Communications, kan bana väg för framsteg inom allt från smartphones till kvantdatorer.
Den långvariga gåtan: Varför kan vi inte se den optiska Hall-effekten?
I över ett sekel har forskare vetat att elektriska strömmar böjs i ett magnetfält – ett fenomen som kallas Hall-effekten. I magnetiska material som järn är denna effekt stark och välkänd. Men i vanliga, icke-magnetiska metaller som koppar eller guld är effekten mycket svagare.
I teorin borde ett besläktat fenomen – den optiska Hall-effekten – hjälpa forskare att visualisera hur elektroner beter sig när ljus och magnetfält interagerar. Men vid synliga våglängder har denna effekt varit alldeles för subtil för att kunna upptäckas. Den vetenskapliga världen visste att den fanns, men saknade verktyg för att mäta den.
”Det var som att försöka höra en viskning i ett bullrigt rum i årtionden”, säger professor Amir Capua. ”Alla visste att viskningen fanns där, men vi hade ingen mikrofon som var tillräckligt känslig för att höra den.”
Koden knäckt: en närmare titt på det osynliga
Studien leds av doktoranden Nadav Am Shalom och professor Amir Capua från Institutet för elektroteknik och tillämpad fysik vid Hebreiska universitetet, i samarbete med professor Binghai Yan från Weizmann Institute of Science, Pennsylvania State University, och professor Igor Rozhansky från University of Manchester. Den fokuserar på en svår utmaning inom fysiken: hur man kan upptäcka små magnetiska effekter i material som inte är magnetiska.
”Man kan tänka sig att metaller som koppar och guld är magnetiskt ’tysta’ – de fastnar inte på kylskåpet som järn gör”, förklarar professor Capua. ”Men i själva verket reagerar de på magnetfält under rätt förhållanden, bara på ett extremt subtilt sätt.”
Höja volymen på magnetiska viskningar
För att lösa detta har forskarna uppgraderat en metod som kallas magneto-optisk Kerr-effekt (MOKE), som använder en laser för att mäta hur magnetism förändrar ljusets reflektion. Tänk dig att du använder en kraftfull ficklampa för att fånga den svagaste glansen från en yta i mörkret.
Genom att kombinera en 440 nanometer blå laser med stor amplitudmodulering av det externa magnetfältet ökade de teknikens känslighet dramatiskt. Resultatet: de kunde fånga upp magnetiska ”ekor” i icke-magnetiska metaller som koppar, guld, aluminium, tantal och platina – en bedrift som tidigare ansågs nästan omöjlig.
(a) Analogi mellan den vanliga Hall-effekten, AHE, MOKE och OHE. (b) Ferris MOKE-experimentuppställning. Inset: illustration av magnetfältlinjerna för en enskild magnet. (c) Schematisk illustration av den inducerade tvärpolariseringen i x på grund av det linjärt polariserade optiska fältet i y och det externt applicerade magnetfältet, Bz. (d) Uppmätta tidsprofiler för Bzt,l för l=1, 3 och 5 mm. Källa: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61249-4
Varför det är viktigt: När brus blir en signal
Hall-effekten är ett viktigt verktyg inom halvledarindustrin och för att studera material på atomnivå: den hjälper forskare att ta reda på hur många elektroner som finns i en metall. Men traditionellt innebär mätning av Hall-effekten att man fysiskt fäster små trådar på enheten, en process som är tidskrävande och svår, särskilt när det gäller komponenter i nanostorlek. Den nya metoden är dock mycket enklare: den kräver bara att man riktar en laser mot den elektriska enheten, utan några trådar.
När teamet grävde djupare upptäckte de att det som verkade vara slumpmässigt ”brus” i deras signal inte alls var slumpmässigt. Istället följde det ett tydligt mönster kopplat till en kvantegenskap som kallas spin-orbit-koppling, som kopplar samman hur elektroner rör sig med hur de snurrar – ett viktigt beteende inom modern fysik.
Denna koppling påverkar också hur magnetisk energi försvinner i material. Dessa insikter har direkta konsekvenser för utformningen av magnetiskt minne, spintroniska enheter och till och med kvantsystem.
”Det är som att upptäcka att statiskt brus i en radio inte bara är störningar – det är någon som viskar viktig information”, säger doktoranden Am Shalom. ”Nu använder vi ljus för att ’lyssna’ på dessa dolda meddelanden från elektroner.”
En ny inblick i spinn och magnetism
Tekniken erbjuder ett icke-invasivt, mycket känsligt verktyg för att utforska magnetism i metaller – utan behov av stora magneter eller kryogena förhållanden. Dess enkelhet och precision kan hjälpa ingenjörer att bygga snabbare processorer, mer energieffektiva system och sensorer med oöverträffad noggrannhet.
”Denna forskning förvandlar ett nästan 150 år gammalt vetenskapligt problem till en ny möjlighet”, säger professor Capua.
”Intressant nog försökte till och med Edwin Hall, en av de största vetenskapsmännen genom tiderna, som upptäckte Hall-effekten, att mäta effekten med hjälp av en ljusstråle, men utan framgång. Han sammanfattar i slutet av sin berömda artikel från 1881: ”Jag tror att om silver hade haft en tiondel så stark verkan som järn, skulle effekten ha kunnat upptäckas. Ingen sådan effekt observerades” (E. Hall, 1881).
”Genom att ställa in rätt frekvens – och veta var vi skulle leta – har vi hittat ett sätt att mäta något som tidigare ansågs osynligt.”
Mer information: En känslig MOKE- och optisk Hall-effektteknik vid synliga våglängder: insikter i Gilbert-dämpningen, Nature Communications (2025).
