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scinexx | Physik-Nobelpreis für Riesenmagnetowiderstand: Entdeckung schuf Voraussetzung für schnelle Festplatten-Leseköpfe
Freitag, 14.12.2007
Physik-Nobelpreis für Riesenmagnetowiderstand
Entdeckung schuf Voraussetzung für schnelle Festplatten-
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>>
Leseköpfe
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 ComputerFestplatten 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
GMR steckt im Lesekopf einer
Lesetechnik baut auf einen physikalischen
Festplatte
Effekt, den die beiden diesjährigen
© GFDL
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
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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.
Dossiers zum Thema
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.
…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 nichtmagnetischen 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
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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
GMR-Effekt in einem
magnetischen Feldern beeinflusst wird,
Dreischichten-System
über die der Lesekopf fährt. Dadurch
© Nobel Foundation
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 GMREffekt 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,
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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)
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