m = I • A

Vom Atom ...
.....zur Festplatte
Hartmut Zabel
23. Februar 2002
Inhalt:
• Ruhende und bewegte
Ladungen
• Atomarer Magnetismus
• Festkörpermagnetismus
• Magnetische Nanoschichten
• Informationsspeicherung
Elektrisches Feld einer
ruhenden Ladung
E
+
Elektrisches Feld von zwei entgegengesetzten ruhenden Ladungen:
Elektrischer Dipol
E
+
q+
-
q-
Statische
Ladung
Bewegte
Ladung
!
E
+
Stromführender Leiter erzeugt ein
magnetisches Wirbelfeld
H
I
Magnetfelder von Kreisströmen
addieren sich:
H
I
Magnetfeldlinien einer Luftspule
S
I
N
Magnetischer Dipol:
m= I⋅A
m
A
I
Vergleich
Zwei getrennte
statische Ladungen
bilden einen
elektrischen Dipol:
Ein konstanter
Kreisstrom bildet
einen magnetischen
Dipol:
p=q•l
m=I•A
q
+
I
l
-
r
Magnetischer Dipol
N
S
Wo ist der Strom?
Umkehrung: Elektronen werden von
Magnetfeldern auf Kreisbahnen gehalten
Elektronenablenkung mit
starken
Magnetfeldern
in Elektronensynchrotrons
Torus zum magnetischen Einschluss heißer
Plasmen für die Kernfusion
! Jede bewegte Ladung erzeugt ein
magnetisches Wirbelfeld
! Kreisströme sind magnetische
Dipole
II. Atomarer Magnetismus
Elektronen auf ihren atomaren
Kreisbahnen haben einen
orbitalen Drehimpuls Lorb
L
r
Elektronen auf ihren atomaren
Kreisbahnen sind widerstandslose
Kreisströme:
I = Ladung/Umlaufzeit
I
Elektronen auf ihren atomaren
Kreisbahnen erzeugen einen
magnetischen Dipol:
m=I•A
m
A
I
Kreisströme haben
einen Drehimpuls
LOrb
q
Kreisströme erzeugen
ein magnetisches
Dipolmoment
m
A
Magnetisches Dipolmoment
= Strom × eingeschlossene Fläche:
!
1 q !
mmag = IA =
LOrb
2 me
q
Drei Männer, Bohr,
Heisenberg und
Pauli, werden sich
einig:
‚das Elektron muss
einen Spin haben‘
Erste Experimente
von Pauli und Bohr
mit dem neuen
Elektronenspin.....
Eigendrehimpuls oder Spin eines Elektrons
S
Der Spin eines Elektrons trägt
ebenfalls zum Magnetismus bei:
!
q !
mmag =
S
me
Magnetismus eines Atoms
= Summe der Bahndrehimpulse und der Spins aller
Elektronen im Atomverband
!
!
1 q !
mmag =
(L Orb + 2S)
2 me
L
r
S
Warum sind manche Atome unmagnetisch?
-S
He
S
Atome sind unmagnetisch, wenn die magnetischen
Dipole innerhalb eines Atoms sich gegenseitig aufheben,
d.h. wenn die Elektronenschalen vollständig gefüllt sind
!
∑ mi = 0
Edelgase
sind nicht
magnetisch
Salze sind häufig unmagnetisch bzw.
diamagnetisch,
da durch Elektronentransfer eine
Edelgaskonfiguration entsteht
Na
Cl
Kristallstruktur von
Natriumchlorid:
Cl- Na+
Warum ist Eisen und seine
Verbindungen magnetisch?
Eisen Fe 2+
Sauerstoff O2-
Eisenoxid FeO
4 fehlende Elektronen in der 3. Schalen
machen Eisen magnetisch!
Hämoglobin
Häm-Molekül
His92
Fe++
Blau: ohne Sauerstoff - magnetisch
Rot: mit Sauerstoff - unmagnetisch
Kernspin-Tomographie
Funktionelle Kernspin-Tomographie
Neurale Aktivität beim Zuhören von Geschichten
! Der orbitale Drehimpuls und
Elektronenspin trägt zum gesamten
magnetischen Moment bei;
! Atomarer Magnetismus geht auf
ungefüllte Elektronenschalen zurück;
! Edelgase und Alkalihalogenide sind
unmagnetisch bzw. diamagnetisch.
III. Festkörper-Magnetismus
Symbolik und Definitionen
L
S
Ferromagnetisch,
geordnet
Paramagnetisch,
ungeordnet
Nicht-magnetisch
(diamagnetisch)
=
Paramagnet im Magnetfeld
B
M
Paramagnet
Magnetische
Feldlinien werden
in
Atomare
magnetische
Momente
Magnetische Momente werden
den
Paramagneten
hinein gezogen
sind
vorhanden,
aber
im Magnetfeld ausgerichtet
und
verstärken das Magnetfeld
ungeordnet
Diamagnet
Im Magneten
werden
Die
magnetischen
Dipole sind
Atomare magnetische Momente
magnetische
erzeugt
dem
äusserenDipole
Magnetfeld
sind nicht vorhanden
entgegen gerichtet und
verdrängen dieses
Levitation diamagnetischer
Materialien im Hochmagnetfeld
Hochmagnetfeld-Labor in Nijmegen: Bittermagnet bis 20 Tesla
Ferromagnetismus - Paramagnetismus
Spontane
Ordnung
Unordnung
Temperatur
Curie-Temperatur
Order parameter:
M/MS
1.0
0.8
0.6
Pierre Curie
1859-1906
0.4
0.2
0
T
0
0.2
0.4
0.6
0.8
TC
Was bewirkt die spontane Ordnung?
Heisenberg Hamilontian
! !
H spin = − JS1 ⋅ S 2
Werner Heisenberg
1901-1976
Austauschintegral
J
Experiment mit Ising Modell
Ernst Ising
1900 - 1998
Stabmagnet
Magnetische Streufelder und
magnetische Domänen
Domäne
Domänenwand
AbschlussDomänenwand
Magnetisierung
Magnetisierung
Sättigungsmagnetisierung
Remanenz
Koerzivität
Stättigung
im Gegenfeld
Magnetfeld
Magnetisierung
Weichmagnete: Trafo – Bleche (FeSi)
Magnetfeld
Magnetisierung
Hartmagnete: Permanentmagnete
Magnetfeld
Hc= 10 – 30 kOe
Einsatz von Hartmagneten
Hartmagnetischer Werkstoff:
Nd2 Fe14 B
Nd
B
H
Fe
Antiferromagnetische Materialien:
Manganoxid
! Paramagnetische Materialien sind
magnetisch ungeordnet. Im Magnetfeld
kann Ordnung induziert werden, ohne
Feld zerfällt sie wieder;
! Ferromagnetische Materialien zeigen
unterhalb der Curie-Temperatur eine
spontane Ordnung;
! Diamagnetische Materialien sind
unmagnetisch. Im Magnetfeld verdrängen
sie die äußeren Felder.
IV. Magnetische Nanoschichten
Magnetische Hysterese
M
Ms
Hs
H
Riesen-Magnetwiderstand (GMR)
Elektrischer
Widerstand
Albert Fert
Phys. Rev. Lett. 61, 2472
(1988)
Peter Grünberg
Phys. Rev. B39, 4282
(1989)
Magnetfeld
MBE Labor an der Ruhr-Universität Bochum
Neutronenreflektometer am Institut Laue-Langevin
http://www.ill.fr/YellowBook/ADAM/
ILL
ESRF
Austausch-Anisotropie
Magnetisierung
Ferromagnetische
Schicht
Antiferromagnetische
Schicht
T>TN
T<TN
Magnetfeld
Warum Austauschanisotropie?
CoFe - free
H
Oxide barrier
CoFe - pinned
H
AFM-Exchange bias
H
MR
H
0
V. Infromationsspeicherung
Informationsspeicherung
Keilschrift
Gutenberg Bibel
~ 200 bit/in2
Lochkarten und Streifen
~ 200 bit/in2
10 bit/in2
Nichtflüchtige Datenspeicher
Ferritkernspeicher-Leiterplatte
10 bit/in2
Speicherkapazität: 262 kbit
oder 32 k Buchstaben
MRAM – Technologie von
IBM, Honeywell, Motorola
256-kbit (16x16 kbit) mit
0.6-mikro CMOS
Technologie
100 Mbite/in2
256 K MRAM von Honeywell
MRAM oder nicht-flüchtige Datenspeicherung
Randam Access Memory
(dynamic) DRAM
Zugriffszeit: 50 ns
Flüchtig; Auffrischen
alle 10 ms
(magnetic) MRAM
Zugriffszeit: 15 ns
Nicht Flüchtig:
Schaltzustand bleibt
auch ohne Stromquelle
erhalten
Festplatten...
...mehr auf immer weniger
5 Mbyte
Skalierung
40 Gbyte
75 Gbyte
1 Gbyte
RAMAC 1956
70 kbits/s
2 kbits/in2
50x 24 in dia disks
$10,000/Mbyte
1973
Microdrive
372 Mb/s
1999
2
14.3 Gbits/in
15.2 Gbits/in2
2 x 3.5”glass disks 1 x 1” dia disk
$0.01/Mbyte
2000
Entwicklung der Speicherdichte
106
1E+6
arpers2000ac.prz
Areal Density Megabits/in2
105
1E+5
Areal Density Perspective
44 Years of Technology Progress
104
1E+4
Travelstar 30GT
Deskstar 40GV
1st GMR Head
Microdrive II
Ultrastar 73LZX
100% CGR
103
1E+3
60% CGR
1st MR Head
1E+2
102
1st Thin Film Head
10
1E+1
8.5 Million X Increase
25% CGR
1
1E+0
IBM Disk Drive Products
10-1
1E-1
Industry Lab Demos
10-2
1E-2
IBM RAMAC (First Hard Disk Drive)
1E-3
10-3
60
70
80
90
100
2000
110
2010
Production Year
Ed Grochowski at Almaden
Bisher: 10-fach in 10 Jahr, jetzt 10-fach in 5 Jahren
Schreibspur
D = 8nm
S S
N N
S S
N N
SS
N N
S
Entscheidender Parameter für Bitgrösse
und -abstand ist die Korngrösse D und
die Koerzitivfeldstärke Hc.
Bei Korngrösse von 8 nm erreicht man
eine Speicherdichte von 25 Gbite/in2.
TEM Aufnahme
Superparamagnetischer Effekt
~250 Körner/bit
m
0n
~4
8 nm
Korn Energie E = KUV > 55 kBT (für 10
Jahre Stabilität)
Koerzivität Hc = KU/M < HKopf
Heute:
35 Gb/in
Gb/in2
Zukunft:
Mehr als 100 Gb/in
Gb/in2
Antiferromagnetisch
gekoppelte
Biteinheiten zur
Vergrösserung der
Koerzitivfeldstärke
Lesekopf
Lesekopf
a
Induktive
Schreibspule
GMR
Lesekopf
8 nm
d
D=
W
t
S S
N
B
N N
S S
N N
Festplatte
SS
N N
S