Hintergrund: Magnetische Sandwiches für die Sensortechnik

Grundlagenforschung, die in technologische Anwendung mündete (Stand: 2014)

Ein Klick auf die Maus, die Scheibe dreht sich, der Arm schwenkt herüber: Binnen Millisekunden findet der Lesekopf sein Zielsegment auf der Festplatte und decodiert das magnetische Flickenmuster, das er vorfindet, wieder zurück in Pressetexte, Videoclips oder Opern von Mozart. Der Lesekopf ist ein Magnetfeldsensor, der auf die magnetischen Streufelder aus den einzelnen Domänen des Datenträgers reagiert. Zunehmende Miniaturisierung verlangt höchstempfindliche Sensoren. Über einen Lizenzvertrag mit dem Forschungszentrum Jülich nutzte die Firma IBM Ergebnisse der Grundlagenforschung: Basierend auf Forschungsergebnissen des Physikers Prof. Peter Grünberg an Schichtstrukturen aus magnetischen Materialien entwickelte IBM empfindlichste Sensortechnik.

Ständig steigende Datendichte braucht hochempfindliche Sensoren

Die Grundeinheiten des Informationszeitalters sind kaum noch Bits und Bytes, sondern liegen im Giga- und Terabyte-Bereich. Auf Festplatten werden solche Datenmengen gespeichert - oder besser: codiert. In den Speichermedien sind die Daten in einem Meer von Ja-Nein-Schaltern verschlüsselt. Jeder Schalter ist ein winziger magnetischer Bereich. Die Gesamtheit aller Schalter: ein gigantisches Flickenteppichmuster. Um der Inflation der weltweit anfallenden Datenmengen Herr zu werden, müssen die gespeicherten Daten immer enger zusammenrücken. Doch diese Daten verwandeln sich erst zu verwertbarer Information, wenn sie nicht nur gespeichert, sondern auch ausgelesen werden können. Entsprechend zunehmender Speicherdichte steigen die Anforderungen an die "lesende" Sensortechnik. Besonders "scharfsichtige" Sensoren müssen hierfür entwickelt werden.

Neuartige Schichtstrukturen

Den Weg zur technologischen Anwendung hat die Erfindung Grünbergs beschritten. Die Grundlagenforschungen von ihm und seinen Mitarbeitern am damaligen Institut für Festkörperforschung (jetzt Peter-Grünberg-Institut) an magnetischen Materialien führten zu neuartigen Schichtstrukturen, die für höchstempfindliche Sensoren benutzt werden können. Das präzise Lesen außerordentlich hoher Dichten magnetisch gespeicherter Daten wird mit ihnen möglich.

Nachdem das Patent auf Grünbergs Erfindung seit Ende der 1980er Jahre sowohl in Europa als auch in den Vereinigten Staaten angemeldet war, wurde die International Business Machines Corporation (IBM) auf die Erfindung aufmerksam: Zwischen IBM und dem Forschungszentrum Jülich wurde ein Lizenzvertrag mit einem größeren Volumen abgeschlossen, der es IBM 1997 ermöglichte, auf Grundlage der Grünbergschen Erfindung hochsensitive Magnetfeldsensoren zu produzieren.

Quantenmechanischer Resonanzeffekt der Elektronen

Magnetische Schichtstrukturen, die derartiges leisten, bestehen aus mindestens drei Stockwerken. Das erste und dritte Stockwerk ist jeweils ein ferromagnetisches Material wie Eisen oder Kobalt. Getrennt sind diese beiden durch eine Zwischenschicht - beispielsweise aus Chrom oder Kupfer -, die nur aus wenigen atomaren Lagen besteht, so dass diese Zwischenschichtdicke in Millionstel von Millimetern gemessen wird. Trotz der trennenden Zwischenschicht können die beiden ferromagnetischen Ebenen miteinander "kommunizieren": ihre magnetischen Ausrichtungen sind miteinander verkoppelt.

Als erstmalig vor mehr als 30 Jahren damit begonnen wurde, solche Sandwiches aus magnetischen und nichtmagnetischen Schichten zu untersuchen, fand man zunächst, dass die Magnetisierungen in der oberen und unteren Schicht beide stets in dieselbe Richtung zeigen. Es erschien naheliegend, als Erklärung ferromagnetische Brücken anzunehmen, die über die Zwischenschicht hinweg das erste und dritte Stockwerk verbinden sollten.

Für Aufregung sorgte daher die Entdeckung, dass im Sandwichsystem Eisen-Chrom-Eisen bei gewissen Chromdicken die Magnetisierungen in den Eisenschichten entgegengesetzt ausgerichtet sind. Zeigte die untere etwa von links nach rechts, so die obere von rechts nach links. Für andere Zwischenschichtdicken konnten auch Kopplungen registriert werden, die zu einer senkrechten Stellung der Magnetisierungen zueinander führen. Die Art der Kopplung - parallel, antiparallel oder senkrecht - oszilliert zwischen diesen drei Möglichkeiten bei Änderung der Zwischenschichtdicke. Zwei atomare Lagen Chrom mehr oder weniger lassen das System etwa von der parallelen in die antiparallele Stellung springen. Hinter diesem Phänomen steckt ein quantenmechanischer Resonanzeffekt der Elektronen in der nichtmagnetischen Zwischenschicht, über den die magnetische Information von Stockwerk zu Stockwerk weitervermittelt wird.

Antiparallele Magnetisierungsausrichtung

Der technisch interessante Clou liegt in einer physikalischen Besonderheit bei antiparalleler Magnetisierungsausrichtung. Die Schichtstruktur zeigt einen Riesenmagnetowiderstandseffekt: Der elektrische Widerstand des Schichtmaterials ist gegenüber dem Fall paralleler Magnetisierung stark erhöht. Bei antiparalleler Magnetisierung wird die Bewegung der Elektronen vermehrt durch Streuprozesse gestört, was sich als Widerstandserhöhung des Materials bemerkbar macht. Als Rekordwert konnte bei Schichtungen aus Kobalt und Chrom fast eine Verdoppelung des Widerstands bei Zimmertemperatur gemessen werden. Die Kräfte, welche die magnetische Ober- und Unterschicht miteinander verkoppeln, sind außerordentlich klein; sie liegen im Promillebereich der 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. Da bei paralleler Magnetisierung die elektronische Bewegung ungestörter verläuft, führt eine kleine, äußere Ursache für den elektrischen Widerstand zu einer großen Wirkung. Eben dies ist das Charakteristikum eines empfindlichen Sensors.

Zum Auslesen magnetisch gespeicherter Daten musste der Sensor zunächst miniaturisiert werden. Wird er dann über die Oberfläche des Datenträgers geführt, so drehen sich die Magnetisierungen in den Schichten des Sensors durch die schwachen magnetischen Streufelder aus den magnetischen Bereichen des Trägers - es folgt ein Spannungsabfall als Signal. Verglichen mit früheren Magnetfeldsensoren in Festplattenlaufwerken wurde durch die GMR-Sensoren das Messsignal deutlich erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Kleinste Magnetzellen des Speichermediums konnten so ausgelesen werden.

Mittlerweile wurden die GMR-Sensoren in Festplatten bereits durch eine Nachfolgegeneration abgelöst, die TMR-Sensoren (von "Tunnel-Magnet-Widerstand"), die noch sensitiver sind. GMR-Sensoren sind jedoch weiterhin im Einsatz, etwa im Antiblockiersystem von Autos.