Was beim Computer im (Lese-)Kopf vorgeht

Was im Lesekopf eines Computerlaufwerks vorgeht, war bisher nur in Teilen verstanden. Jetzt hat ein internationales Forscherteam erstmals die genauen magnetischen Vorgänge mithilfe von Myonen, magnetischen Elementarteilchen, verfolgt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, spielt die Ordnung der Elektronenspins im Speichermedium eine entscheidende Rolle für die Effektivität der Leseköpfe.

Dass Computer so viele Daten speichern können und MP3-Player in den letzten zehn Jahren so klein werden konnten, liegt zu einem grossen Teil an einem Effekt, den Physiker Riesenmagnetowiderstand nennen. Dank dieses Effekts, für dessen Entdeckung es 2007 den Nobelpreis für Physik gab, kann man elektronische Bauteile herstellen, deren elektrischer Widerstand sehr empfindlich auf äussere Magnetfelder reagiert. Nutzt man diesen Effekt in magnetischen Leseköpfen, kann man die magnetisch kodierten Daten sehr dicht packen und so die Festplatten sehr klein machen. Ohne diesen Effekt wäre es nicht möglich, in einem Gerät von der Grösse einer halben Zigarettenschachtel soviel Daten zu speichern wie auf über 100 CDs.

Spintronik – Elektronik mit Spin

„Anders als in den meisten elektronischen Bauteilen, wird in den Leseköpfen nicht nur die elektrische Ladung der Elektronen, die den Strom transportieren, genutzt, sondern auch deren Spin – die Eigenrotation, die die Elektronen zu winzigen Magneten werden lässt. So gehören die Leseköpfe zu dem wachsenden Gebiet der Spintronik.“ erklärt der Initiator des Forschungsprojekts Alan Drew von der Universität Freiburg und der Queen Mary University of London. Das Fachwort für dieses Bauteil ist Spin Valve, was man mit „Spin-Ventil“ übersetzten könnte.

So ein Ventil besteht aus mindestens drei Schichten: zwei magnetischen äußeren Schichten und einer unmagnetischen Zwischenschicht. Eine der magnetischen Schichten ist in eine feste Richtung magnetisiert, die Magnetisierung der anderen passt sich dem äußeren Magnetfeld an. Fließt ein Strom zwischen beiden Magnetschichten, so erfährt er weniger Widerstand, wenn beide Schichten gleich magnetisiert sind, weil die erste Schicht den Elektronenspins eine Ausrichtung aufzwingt, die sie in der zweiten Schicht behalten können.

Sind die Schichten verschieden magnetisiert, kommen die Elektronen mit der „falschen“ Spinausrichtung an der zweiten Schicht an. Behalten sie ihre Spinausrichtung, kommen sie kaum voran; klappt der Spin um so kostet das Energie – beides erscheint als zusätzlicher elektrischer Widerstand.

Instabile Teilchen verraten Magnetfelder

Das funktioniert aber nur so lange, wie nicht allzu viele Spins unterwegs von selbst umklappen, sie also nicht mir zufälliger Ausrichtung an der zweiten Schicht ankommen. Drew wollte wissen, wie wichtig dieser Effekt für die Qualität von Leseköpfen ist und führte dafür mit Kollegen vom Paul Scherrer Institut im Schweizerischen Villigen eine Reihe von Experimenten durch. Dabei wollten sie beobachten, wie viele der Elektronenspins auf dem Weg durch die mittlere Schicht zufällig umklappen. Dabei nutzten sie aus, dass die Spins gemeinsam ein Magnetfeld erzeugen, das umso stärker ist, je einheitlicher sie geordnet sind. Als Sonden, die das Magnetfeld im Inneren messen sollten, nutzten sie Myonen – instabile Elementarteilchen, die den Elektronen ähneln, aber viel schwerer sind.

Bringt man ein solches Myon in ein Magnetfeld so beginnt es zu rotieren und zwar umso schneller je stärker das Feld ist. Nach einigen Millionstel Sekunden zerfällt das Myon in mehrere Teilchen, von denen eines vorzugsweise in die Richtung des Myonenspins fliegt und in einem Detektor nachgewiesen werden kann. Beobachtet man für Millionen solcher Zerfälle diese Zerfallsrichtung, kann man die Rotationsgeschwindigkeit der Myonen und daraus das lokale Magnetfeld bestimmen.

Für ihre Experimente bauten die Forscher einen besonderen Lesekopf mit einer organischen Zwischenschicht – bestehend aus einem leitfähigen Kunststoff. „Solche Kunststoffe sind biegsam und leicht zu verarbeiten, so dass sie in der Zukunft die Elektronik revolutionieren könnten.“ erklärt Drew „Ausserdem haben sie unser Experiment erst möglich gemacht, weil die Spins in einem solchen organischen Leiter wesentlich langsamer umklappen als in einem herkömmlichen, so dass wir genug Zeit hatten, um das Magnetfeld zu beobachten“.

Nur in der Schweiz langsam genug

Was im Prinzip einfach klingt, erfordert einen immensen technischen Aufwand. „Solche Experimente kann man nur am PSI durchführen, denn nur wir können die sehr langsamen Myonen erzeugen, die in den dünnen Schichten unseres Lesekopfes steckenbleiben. Die Myonen an anderen Experimenten sind so schnell, dass sie einfach durch unsere Probe hindurchfliegen würden“ erklärt der Physiker Elvezio Morenzoni, der die Myonenanlage am Paul Scherrer Institut betreibt.

Aber auch am PSI sind die Myonen zunächst sehr schnell. Sie entstehen am Protonenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts, wo zunächst ein Strahl von Protonen auf drei Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird und dann auf eine „Kohlenstoffplatte“ prallt. Dabei entstehen Teilchen, die schliesslich zu Myonen zerfallen. Die Myonen bremst man zunächst in einem einzigartigen Verfahren in einer dünnen Schicht aus gefrorenem Edelgas, um sie anschliessend wieder auf die gewünschte niedrige Geschwindigkeit zu beschleunigen. Indem man diese Geschwindigkeit variiert, kann man sogar festlegen, in welcher Tiefe die Myonen in der Probe steckenbleiben sollen und so die Magnetfelder an verschiedenen Stellen bestimmen.

Ergebnis: Unordnung schadet

Diese Experimente haben gezeigt, dass tatsächlich das Maß, in dem die Elektronen ihre Spinausrichtung verlieren, auch darüber entscheidet, wie gut ein Lesekopf funktioniert, also wie stark der elektrische Widerstand vom Magnetfeld abhängt. Vor allem wurde aber deutlich, dass Myonenexperimente tatsächlich helfen können, die Vorgänge in spintronischen Bauteilen zu verstehen. „Wahrscheinlich wird die Industrie dies nie zu einer ihrer Standardmethoden für die Untersuchung von Bauteilen machen. Dazu ist das Verfahren zu aufwändig“ betont Morenzoni „Es wird aber sicher helfen, grundsätzliche Fragen zu verstehen und so der Industrie Hinweise geben, wie sie die Bauteile weiterentwickeln kann“.

(Paul Scherrer Institut, 25.11.2008 – NPO)