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Riesenmagneto-Widerstandseffekt: Wie der GMR-Effekt Festplatten verbessert

Der von den Physiknobelpreisträgern Peter Grünberg und Albert Fert 1988 entdeckte Riesenmagneto-Widerstandseffekt (GMR, "Giant Magneto Resistance") hat die Leistungsfähigkeit von Computerfestplatten deutlich erhöht und die heute üblichen Speicherkapazitäten von vielen Gigabyte erst möglich gemacht.

Eine Festplatte speichert Informationen auf einer rotierenden Scheibe, deren Oberfläche mit magnetischem Material beschichtet ist. Dabei werden die Daten in digitaler Form - also als Abfolge von Nullen und Einsen - in kleinen magnetischen Einheiten abgelegt. Eine Magnetisierung einer solchen Einheit in eine Richtung wird dabei als "1" betrachtet, die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung als "0".

Abgerufen werden die gespeicherten Daten mit dem Lesekopf, der an einem Arm ganz dicht über der rotierenden Scheibe schwebt. Ein Lesekopf, der den GMR ausnutzt, besteht aus drei Schichten: zwei magnetischen, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind. So ein Lesekopf ist viel kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares, die Trennschicht ist nur wenige Atomlagen dick.

Eine der beiden Schichten hat die Eigenschaft, dass sich ihre Magnetisierungrichtung sehr einfach umdrehen lässt, während die andere ihre Richtung konstant beibehält. Die Schicht mit der variablen Magnetisierungsrichtung wird während des Lesevorgangs von den auf der Platte gespeicherten Daten beeinflusst. Wenn eine "1" vorbeischwirrt, gibt es einen Impuls für die eine Richtung, kommt eine "0" eben in die andere.

Widerstand ist hilfreich

Und nun kommt der Auftritt des Riesenmagneto-Widerstandseffekts: Durch den ganzen Lesekopf - also die zwei Magnetschichten, die durch eine nichtmagnetische getrennt sind - fließt Strom, dessen Stärke sich messen lässt. Wechselt die variable Schichte ihre Magnetisierungsrichtung, dann verändert sich der Widerstand des Lesekopfes. Haben die beiden magnetischen Schichten eine unterschiedliche Magnetisierungsrichtung, ist der Widerstand höher - die Strömstärke sinkt - als wenn beide dieselbe Richtung ausweisen. Dieses Phänomen - das Wechseln des Stromwiderstandes in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung - ist der Riesenmagneto-Widerstandseffekt, den Grünberg und Fert entdeckt haben. Sind die Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt, wird der Elektronenfluss innerhalb des Materials behindert, was zum Ansteigen des Widerstands führt. (Mehr zu den quantenmechanischen Hintergründen des GMR erklärt ein gut verständliches Video auf der Website des Forschungszentrums Jülich).

Die vom wechselnden Widerstand beeinflussten Stromstärken lassen sich messen, sie geben so die Einsen (starker Strom) und Nullen (schwacher Strom) der Daten wieder. Die Kräfte, die beim GMR wirken, sind so gering, dass auch sehr schwache Magnetfelder den Wechsel der Magnetisierungsrichtungen herbei führen und die Schwankungen der Stromstärke auslösen können. Aufgrund dessen ließ sich die Größe der Speichereinheiten (und damit ihr Magnetfeld) auf einer Festplatte massiv verkleinern, sodass immer größere Datenvolumen der zur Verfügung stehenden Fläche untergebracht werden können.

Ralf Sander
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