Nobelpreise 2007

Einmal Auslesen, bitte

Der deutsche Physiker Peter Gr�nberg und sein franz�sischer Kollege Albert Fert entdeckten einen magnetischen Effekt, durch den sich die Speicherkapazit�t von Festplatten erheblich steigern lie�. Nun erhalten sie f�r ihre Leistungen den diesj�hrigen Physik-Nobelpreis.

Maike Pollmann

Im September 1956 wurde das erste magnetische Festplattenlaufwerk vorgestellt: Auf f�nfzig Speicherplatten mit einem Durchmesser von jeweils 61 Zentimeter lie�en sich etwa f�nf Megabyte speichern – Platz also f�r ein, vielleicht zwei mp3-komprimierte Lieder. Mittlerweile wirken solche Dimensionen und Speicherkapazit�ten geradezu lachhaft. Unter einer 120 Gigabyte-Festplatte kommt den meisten kein Rechner ins Haus und f�r Laptop und tragbare Musikabspieler wird Handlichkeit verlangt.

Das Prinzip der Datenspeicherung hat sich trotz der enormen Fortschritte der vergangenen f�nfzig Jahre nicht grundlegend ge�ndert: In einem magnetischen Material werden kleinste Gebiete gezielt magnetisiert. Je nach Ausrichtung des Magnetfelds repr�sentieren die Fl�chen den Wert null oder eins und erm�glichen damit, die Daten mit Hilfe einer bin�ren Kodierung zu speichern. Soll auf die gespeicherten Daten zur�ckgegriffen werden, tastet ein Lesekopf die Magnetisierung ab und wandelt die Information in einen elektrischen Strom um, der dann vom System weiterverarbeitet werden kann.

Bis Mitte der 1990er Jahre wurden die Daten mit Hilfe von Induktionsspulen ausgelesen: Fuhr der Lesekopf �ber einen magnetisierten Bereich, entstanden durch Induktion elektrische Impulse. Mit der steigenden Datendichte wurde diese Methode allerdings unbrauchbar, da sich messbare Effekte nur bei einer bestimmten St�rke der Magnetfelder erzielen lassen. Und je kleiner und dichter die Informationen auf die Festplatte gepackt sind, desto kleiner und schw�cher werden auch die einzelnen magnetischen Felder. Der Lesekopf musste also empfindlicher werden.

Ende der achtziger Jahre entdeckte der Physiker Peter Gr�nberg vom Forschungszentrum J�lich und unabh�ngig von ihm sein franz�sischen Berufskollege Albert Fert der Universit�t Paris-S�d, dass sich der elektrische Widerstand von d�nnen Schichten, die aus magnetischen Materialien bestehen, bereits durch Anlegen sehr kleiner �u�erer Magnetfelder enorm �ndert. Aus diesem Grund bekam der Effekt den Namen Riesenmagnetwiderstand oder kurz GMR (Giant Magneto Resistance).

Die beiden verdanken ihren Fund nicht zuletzt dem raschen Fortschritt der Nanotechnologie im Bereich d�nner Metallschichten. Denn damit der Effekt auftritt, bedarf es Lagen aus abwechselnd nichtmagnetischem und ferromagnetischem Material, die nur wenige Atome dick sind. Im Ferromagneten verhalten sich die einzelnen Atome vereinfacht dargestellt wie kleine Stabmagnete, deren Nordpole alle in dieselbe Richtung zeigen. Hat die nichtmagnetische Zwischenschicht, die zum Beispiel aus Chrom oder Kupfer bestehen kann, aber eine bestimmte Dicke, so passiert etwas Seltsames: Die Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten orientieren sich pl�tzlich in entgegengesetzte Richtung.

Diese Anordnung ist sehr instabil und so f�hrt bereits ein kleines �u�eres Magnetfeld zu einem �bergang in einen geordneten Zustand, in dem die Nordpole aller Schichten wieder in eine Richtung weisen. Dadurch verkleinert sich der elektrische Widerstand der gesamten Struktur erheblich, da die den Strom leitenden Elektronen, die ebenfalls ein schwaches Magnetfeld mit sich tragen, auf ihrem Weg durchs Metall nicht mehr so stark gestreut werden. Je nach Stromst�rke sendet der Lesekopf nun als Ausgangssignal eine null oder eins.

In nur etwa zehn Jahren schaffte es der auf dem Riesenmagnetwiderstand basierende Lesesensor aus den Laboratorien in den heimischen Computer. Zur Freude vieler Nutzer �berwand die Speicherkapazit�t von Festplatten dank der neuen Technik Mitte der 1990er Jahre die Giga-Byte-Schwelle. Und selbst die neuesten Auslesetechniken basieren noch auf dem GMR-Effekt.