Physik-Nobelpreis für Riesenmagnetowiderstand

Der Nobelpreis für Physik 2007 geht an den Franzosen Albert Fert und den Deutschen Peter Grünberg. Sie erhalten ihn für ihre Entdeckung des so genannten Riesenmagnetowiderstandes. Anwendungen dieses Phänomens haben unter anderem die Technik revolutioniert, mit der die Informationen von Computer-Festplatten ausgelesen werden. Aber auch für verschiedene magnetische Sensoren, wie auch für die Entwicklung einer ganz neuen Generation der Elektronik, der so genannten „Spintronik“, spielt der Effekt eine wichtige Rolle.

Dass Computer und Elektronikbauteile immer kleiner und leistungsfähiger werden, erscheint uns heute fast selbstverständlich. Doch Ende der 1990er Jahre wurde eine völlig neue Technik bei den Leseköpfen für Festplatten zum Standard, die überhaupt erst eine so schnelle Entwicklung hin zu immer größerer Speicherkapazität in den Festplatten ermöglicht hat. Die neue Lesetechnik baut auf einen physikalischen Effekt, den die beiden diesjährigen Nobelpreisträger in Physik zum ersten Mal vor fast zwanzig Jahren sahen. Der Franzose Albert Fert und der Deutsche Peter Grünberg entdeckten 1988, jeder für sich und unabhängig von einander, den so genannten Riesenmagnetowiderstand – auf englisch giant magnetoresistance, GMR.

Magneteffekt im Lesekopf

Auf der Festplatte liegt die Information gespeichert vor in Form von mikroskopisch kleinen Feldern mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen. Die Information wird abgerufen, indem ein Lesekopf die Festplatte abtastet und magnetische Veränderungen registriert. Je kleiner und dichter mit Information gepackt die Festplatte ist, desto kleiner und schwächer werden auch die einzelnen magnetischen Felder. Umso empfindlicher muss damit auch der benötigte Lesekopf sein.

Von Lord Kelvin…

Der britische Physiker Lord Kelvin veröffentlichte bereits 1857 einen Artikel, in dem er nachwies, dass der elektrische Widerstand abnimmt, wenn ein magnetisches Feld längs eines Eisenleiters gelegt wird, aber zunimmt, wenn das magnetische Feld quer zum Leiter liegt. Diesen richtungsabhängigen Magnetwiderstand (magnetoresistance, MR) setze man bereits vor der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstand für das Lesen der Daten auf Festplatten aus. Doch allmählich endeten bei dieser Technik die Entwicklungsmöglichkeiten. Die Empfindlichkeit ließ sich nicht ausreichend genug verbessern.

Der elektrische Widerstand in einem Leiter entsteht dadurch, dass Elektronen an Verunreinigungen

im Material gestreut werden und damit an ihrem Vorwärtskommen behindert werden. Elektronen besitzen zudem einen so genannten Spin. Diese quantenmechanische Eigenschaft kann in zwei entgegengesetzte Richtungen weisen. In einem magnetischen Leiter haben die meisten Elektronen einen Spin, der parallel zum Magnetfeld gerichtet ist. Eine Minderzahl der Elektronen hat einen Spin, der entgegengerichtet ist. In der Regel werden die Elektronen am stärksten gestreut, deren Spin dem Magnetfeld entgegengesetzt ist. Welche Spinrichtung sich am stärksten ausbreitet, hängt von der Art der Materialien ab.

GMR-Effekt in einem Dreischichten-System © Nobel Foundation

…zum Riesenmagnetowiderstand…

Ein Beispiel für das einfachste System des Riesenmagnetowiderstands besteht aus einer Schicht

nicht-magnetischen Metalls zwischen zwei Schichten eines magnetischen Metalls. Im Innern des magnetischen Materials und vor allem in der Grenzschicht zwischen dem magnetischen und nicht-magnetischen Material werden Elektronen mit unterschiedlichem Spin unterschiedlich stark gestreut.

Wenn die Richtung des Magnetfeldes in beiden magnetischen Schichten die gleiche ist, können Elektronen mit parallelem Spin durch das ganze System flitzen ohne besonders viel gestreut zu werden. Elektronen mit antiparallelem Spin werden dagegen stark gestreut. Da sie aber weniger häufig sind, bleibt der Widerstand insgesamt trotzdem gering. die Elektronen können passieren, es fließt ein Strom.

Wenn aber die Feldrichtungen in den beiden magnetischen Schichten jeodch gegeneinander stehen, haben alle Elektronen einen antiparallelen Spin in entweder der einen oder der anderen Schicht. Damit werden sie alle stark gestreut. Das führt dazu, dass der Widerstand insgesamt hoch wird, die Elektronen werden behindert, es fließt kein oder kaum Strom.

…und zum GMR-Lesekopf

Bei einem Festplattenlesekopf liegt die Magnetisierung in einer der beiden Magnetschichten fest, während die Richtung in der anderen Schicht von magnetischen Feldern beeinflusst wird, über die der Lesekopf fährt. Dadurch wechselt fortwährend der Widerstand und damit auch der Strom im Lesekopf. Dieser Strom wiederum ist das Ausgangssignal des Lesekopfs – hoher Strom kann eine Eins darstellen, niedriger Strom eine Null.

Ein Lesekopf mit GMR-Effekt kann daher die sehr kleinen magnetischen Veränderungen in genügend messbare Unterschiede beim elektrischen Widerstand umwandeln, und damit in Schwankungen bei dem Strom, der vom Lesekopf ausgesendet wird. Nach der Entdeckung des GMR gingen Wissenschaftler und Techniker sehr schnell daran, den neuen Effekt für einen Lesekopf auszunützen. Bereits 1997 wurde der erste auf dem GMR-Effekt fußende Lesekopf vorgestellt. Dank dieser Technik konnten die Festplatten in den letzten Jahren so erheblich verkleinert und zugleich mit wesentlich größerer Speicherkapazität angeboten werden.

Tor zur Spintronik

GMR stand jedoch nicht nur für einen technischen Durchbruch, wenn es darum ging, dicht gepackte Datenmengen von Festplatten auslesen zu können. Ebenso interessant dürfte sein, daß man diese Technik als ersten Schritt ansehen kann zur Entwicklung einer völlig neuen Elektronikform, auch Spintronik genannt. Spintronik zeichnet sich darin aus, daß sie den Spin des Elektrons ausnützt, und nicht, wie bei der herkömmlichen Elektronik, nur seine

elektrische Ladung. Voraussetzung für die Spintronik sind gerade die kleinen Dimensionen, mit denen die Nanotechnik arbeitet.

(Nobel Foundation, 09.10.2007 – NPO)