SFB/TRR 173 SPIN+X

Der Riesenmagnetowiderstand

Der Riesenmagnetowiderstand, kurz GMR (giant magnetoresistance) wurde 1988 von Peter Grünberg und Albert Fert entdeckt, die dafür 2007 den Nobelpreis in Physik erhielten.

Der GMR-Effekt beruht auf dem Spin von Elektronen, einer grundlegenden Teilchen-Eigenschaft wie auch Ladung oder Masse. Der Spin sorgt dafür, dass Elektronen von einem Magnetfeld umgeben sind, also einen Nord- und einen Südpol besitzen. Befindet sich das Elektron in einem Magnetfeld, kann sich der Spin nur in zwei Richtungen einstellen: parallel oder entgegensetzt zum Magnetfeld.

Ein gewöhnlicher Leiter wie ein Stromkabel besteht aus Atomen, die gitterartig angeordnet sind (Abbildung oben). Wenn ein Strom fließt, bewegen sich Elektronen aus den Hüllen der Atome durch das Gitter fort. Dabei stoßen sie von Zeit zu Zeit mit den Gitteratomen zusammen, was ihre Bewegung und damit den Stromfluss hindert. Diesen Effekt nennt man elektrischen Widerstand. Der Widerstand ist beispielsweise vom Material des Leiters abhängig. Herrscht im Leiter ein Magnetfeld, so ist der Widerstand auch vom Spin der wandernden Elektronen abhängig: Elektronen, deren Spin in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld im Leiter zeigt, erfahren einen geringeren Widerstand als Elektronen mit einem Spin entgegengesetzt zur Magnetisierung des Leiters.

GMR-Sensoren bestehen aus sehr dünnen Metallschichten, hunderttausendfach dünner als ein menschliches Haar, die abwechselnd magnetisch und nicht magnetisch sind. Sie dienen als Leiter (Abbildung unten). Sind die Richtungen der Magnetfelder in den beiden Schichten gleich, werden nur Elektronen, deren Spin dem Magnetfeld entgegengerichtet ist, stark gestreut; für Elektronen mit Spin in Richtung des Magnetfelds ist der Widerstand klein. Sind die Ausrichtungen der Magnetfelder jedoch antiparallel, werden beide Spin-Ausrichtungen in jeweils einer Schicht stark gestreut, so dass der Widerstand insgesamt groß ist.

Ein GMR-Sensor wird so verbaut, dass sich, wenn ein Magnetfeld auf ihn einwirkt, nur die Ausrichtung einer der beiden magnetischen Schichten ändert. Statt einer antiparallelen Ausrichtung zeigt das Magnetfeld beider Schichten dann in die gleiche Richtung und der Widerstand fällt sprungartig ab, oder er steigt beim umgekehrten Prozess plötzlich an. Diese Änderungen im Widerstand können von einer Elektronik ausgelesen und beispielsweise zur Ermittlung der Position des Sensors verwendet werden.

Die wichtigste Anwendung des GMR besteht in seinem Einsatz in den Leseköpfen magnetischer Computer-Festplatten: Nur durch die hohe Sensitivität, die durch den GMR erreicht wird, konnten die heute üblichen Speicherdichten überhaupt erreicht werden. Heute allgegenwärtige Suchmaschinen wie Google oder Video-Plattformen wie Youtube wären ohne Sensoren wie den GMR kaum vorstellbar.

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