1988 entdeckt Der Riesenmagneto-Widerstandseffekt

Das Phänomen hat Gigabyte-große Festplatten erst möglich gemacht - nun haben seine Entdecker den Nobelpreis für Physik erhalten. Vor 19 Jahren fanden Peter Grünberg und Albert Fert den Riesenmagneto-Widerstandseffekt.


In den achtziger Jahren stießen Computer immer wieder an neue Grenzen. Sie wurden einerseits immer leistungsfähiger und eroberten immer mehr Lebensbereiche - benötigten aber andererseits immer mehr Speicherplatz. Forscher weltweit suchten nach Wegen, die Kapazität von Datenspeichern zu erhöhen. Festplatten galten als vielversprechende Alternative zu den bis dahin weit verbreiteten Magnetbändern.

Der Jülicher Physiker Peter Grünberg war deshalb nicht der einzige, der sich für magnetische Schichtstrukturen interessierte. Doch ihm und seinem französischen Kollegen Albert Fert blieb es vergönnt, mit einer Entdeckung den Weg zu riesigen Computerfestplatten zu ebnen. Beide bekamen nun dafür den Nobelpreis 2007 für Physik.

Grünberg untersuchte in den achtziger Jahren Sandwiches aus magnetischen und nichtmagnetischen Schichten. Diese bestanden aus drei Schichten. Die erste und dritte bildete ferromagnetisches Material wie Eisen oder Kobalt. Getrennt waren diese durch eine dünne Zwischenschicht - beispielsweise aus Chrom oder Kupfer.

Diese Zwischenschicht bestand aus wenigen atomaren Lagen, war also nur Millionstel von Millimetern dick. Die Wissenschaftler wussten bereits, dass die beiden ferromagnetischen Ebenen trotz der Zwischenschicht miteinander kommunizieren können: Ihre magnetischen Ausrichtungen seien miteinander verkoppelt, lautete die gängige Erklärung. Messungen hatten ergeben, dass die Magnetisierungen in der oberen und unteren Schicht beide stets in dieselbe Richtung zeigten.

Doch dann erlebte Grünberg eine Überraschung: Bei gewissen Chromdicken im Sandwichsystem Eisen-Chrom-Eisen waren die Magnetisierungen in den Eisenschichten entgegengesetzt ausgerichtet. Zeigte die untere etwa von links nach rechts, so war die Orientierung bei der oberen von rechts nach links.

Widerstand stark erhöht

Für andere Zwischenschichtdicken registrierten die Forscher auch Kopplungen, die eine senkrechte Stellung der Magnetisierungen zueinander zur Folge hatten. Die Art der Kopplung - parallel, antiparallel oder senkrecht - oszillierte je nach Zwischenschichtdicke. Zwei atomare Lagen Chrom mehr oder weniger ließen das System etwa von der parallelen in die antiparallele Stellung springen.

Heute weiß man, dass hinter diesem Phänomen ein quantenmechanischer Resonanzeffekt der Elektronen in der nichtmagnetischen Zwischenschicht steckt, über den die magnetische Information von Stockwerk zu Stockwerk weitervermittelt wird.

Was bis dahin wie typische Grundlagenforschung aussah, entpuppte sich jedoch schon bald als technisch hochinteressante Entdeckung. Denn bei antiparalleler Magnetisierungsausrichtung zeigte die Schichtstruktur ein Verhalten, das die Forscher später Riesenmagneto-Widerstandseffekt nannten. Der elektrische Widerstand des Schichtmaterials war gegenüber dem Fall paralleler Magnetisierung stark erhöht.

Die Physiker erklärten sich das Phänomen folgendermaßen: Bei antiparalleler Magnetisierung wird die Bewegung der Elektronen durch Streuprozesse gestört, dies erhöht den Widerstand des Materials. Als Rekordwert konnte Grünberg bei Schichtungen aus Kobalt und Chrom fast eine Verdoppelung des Widerstands bei Zimmertemperatur messen.

Effekt ideal für Sensoren

Die Kräfte, welche die magnetische Ober- und Unterschicht miteinander verkoppeln, sind außerordentlich klein - viel kleiner als jene Kräfte, die in einer einzelnen Schicht den Ferromagnetismus tragen. Es genügen daher schwache äußere Magnetfelder, um die antiparallele Kopplung zu zerstören und beide Schichtmagnetisierungen parallel zum äußeren Feld auszurichten, folgerte Grünberg.

Da bei paralleler Magnetisierung die elektronische Bewegung ungestörter verläuft, führt eine kleine, äußere Ursache für den elektrischen Widerstand zu einer großen Wirkung. Der Riesenmagneto-Widerstandseffekt - kurz GMR-Effekt) erwies sich somit als ideal für die Konstruktion empfindlicher Sensoren.

1997 produzierte IBM die erste Computerfestplatte mit einem Lesekopf, der den GMR-Effekt nutzt. Der Elektronikkonzern miniaturisierte dazu den Sandwich-Sensor. Bewegt sich der Lesekopf über die Oberfläche der Festplatte, dann verdrehen sich die Magnetisierungen in den Schichten des Sensors durch die schwachen magnetischen Streufelder des Datenträgers. Es folgt ein deutlicher Spannungsabfall. Dank des GMR-Effekts messen Festplattensensoren ein deutlich besseres Signal, kleinste Magnetzellen für Festplatten mit riesiger Speicherkapazität wurden so möglich.

hda



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