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Nobelpreise 2007

Einmal Auslesen, bitte

Der deutsche Physiker Peter Grünberg und sein französischer Kollege Albert Fert entdeckten einen magnetischen Effekt, durch den sich die Speicherkapazität von Festplatten erheblich steigern ließ. Nun erhalten sie für ihre Leistungen den diesjährigen Physik-Nobelpreis.
Im September 1956 wurde das erste magnetische Festplattenlaufwerk vorgestellt: Auf fünfzig Speicherplatten mit einem Durchmesser von jeweils 61  Zentimeter ließen sich etwa fünf Megabyte speichern – Platz also für ein, vielleicht zwei mp3-komprimierte Lieder. Mittlerweile wirken solche Dimensionen und Speicherkapazitäten geradezu lachhaft. Unter einer 120 Gigabyte-Festplatte kommt den meisten kein Rechner ins Haus und für Laptop und tragbare Musikabspieler wird Handlichkeit verlangt.

Die Preisträger
Die Preisträger | Peter Grünberg (links) und Albert Fert erhalten den diesjährigen Physik-Nobelpreis.
Das Prinzip der Datenspeicherung hat sich trotz der enormen Fortschritte der vergangenen fünfzig Jahre nicht grundlegend geändert: In einem magnetischen Material werden kleinste Gebiete gezielt magnetisiert. Je nach Ausrichtung des Magnetfelds repräsentieren die Flächen den Wert null oder eins und ermöglichen damit, die Daten mit Hilfe einer binären Kodierung zu speichern. Soll auf die gespeicherten Daten zurückgegriffen 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 über 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 Stärke der Magnetfelder erzielen lassen. Und je kleiner und dichter die Informationen auf die Festplatte gepackt sind, desto kleiner und schwächer werden auch die einzelnen magnetischen Felder. Der Lesekopf musste also empfindlicher werden.

Sandwich
Sandwich | Schematische Darstellung der Schichtstruktur. Nanometerdicke Schichten aus Eisen (grün) werden durch ein nichtmagnetisches Material getrennt. Grünberg und sein Team benutzten einen Materialmix aus Eisen und Chrom.
Ende der achtziger Jahre entdeckte der Physiker Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und unabhängig von ihm sein französischen Berufskollege Albert Fert der Universität Paris-Süd, dass sich der elektrische Widerstand von dünnen Schichten, die aus magnetischen Materialien bestehen, bereits durch Anlegen sehr kleiner äußerer Magnetfelder enorm ändert. 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 dünner 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 plötzlich in entgegengesetzte Richtung.

Diese Anordnung ist sehr instabil und so führt bereits ein kleines äußeres Magnetfeld zu einem Übergang 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 Stromstärke sendet der Lesekopf nun als Ausgangssignal eine null oder eins.

Steigende Speicherkapazität
Steigende Speicherkapazität | Dank des GMR-Effekts überstieg die Speicherkapazität von Festplatten Mitte der 1990er Jahre die Giga-Byte-Schwelle.
In nur etwa zehn Jahren schaffte es der auf dem Riesenmagnetwiderstand basierende Lesesensor aus den Laboratorien in den heimischen Computer. Zur Freude vieler Nutzer überwand die Speicherkapazität 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.
10.10.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10.10.2007

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