Physik-Nobelpreis. Ein französischer und ein deutscher Physiker teilen sich die Auszeichnung – für die Erforschung eines magnetischen Effekts in dünnen Metallschichten, ohne den heutige Computerfestplatten unlesbar wären.
Kilobytes, Megabytes, Gigabytes, Terabytes... Die Speicherkapazitäten der Festplatten stiegen und steigen weiter und weiter, der Speicherplatz schrumpft. Diese Entwicklung mag uns wie ein kultureller Trend vorkommen, doch sie hat eine höchst materielle Basis; wir stellen uns Information gern als abstrakte Abfolge von Nullern und Einsern vor, aber sie muss physikalisch gespeichert werden: in Form magnetischer Felder, gedrängt auf winzigstem Raum. Und sie muss von dort wieder abgelesen werden, peu à peu, bit by bit.
1988 in Paris und Jülich entdeckt
Daran erinnert uns der heurige Nobelpreis aus Physik: Er geht an Albert Fert und Peter Grünberg für die Entdeckung der „Giant Magnetoresistance“ (GMR), des „Riesenmagnetowiderstands“. Die beiden Physiker haben die GMR 1988 unabhängig voneinander in Jülich respektive Paris entdeckt: an ferromagnetischen und nicht-magnetischen Metallschichten, die abwechselnd aufeinander liegen wie das dunkle und das lichte Nougat im Ildefonso-Konfekt.
Das magnetische Metall war bei beiden einfach Eisen (Fe), das nicht-magnetische Chrom (Cr). Bei Grünberg waren es nur drei Schichten (Fe/Cr/Fe), bei Fert bis zu 60. Entsprechend war der Effekt bei Fert noch größer, er nannte ihn in seiner Publikation auch GMR, während sich Grünberg mit „Enhanced Magnetoresistance“ begnügte.
Was ist das für ein Effekt? Zunächst: Was ist „normaler“ Magnetowiderstand? Er wurde 1857 von Lord Kelvin entdeckt. Es beruht auf dem – Mitte des 19.Jahrhunderts allmählich verstandenen – Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität. So wirkt auf bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld die „Lorentzkraft“, die normal auf Magnetfeld und Bewegungsrichtung der Ladungen („Stromrichtung“) steht.
Widerstand hängt vom Magnetfeld ab
Zumindest ähnlich funktioniert der Magnetowiderstand: Ein Leiter ändert seinen elektrischen Widerstand, wenn man ihn in ein äußeres Magnetfeld platziert – und zwar ist die Änderung abhängig vom Winkel zwischen Stromrichtung und Feld. Mikroskopisch gesehen: Das Magnetfeld beeinflusst, wie stark die Elektronen (die den Strom verkörpern) von ihrem geraden Weg durch den Leiter abgelenkt („gestreut“) werden.
Bei der – größeren – GMR spielt neben der Ladung eine zweite Eigenschaft des Elektrons eine Rolle: sein Spin, der ja ein magnetisches Moment erzeugt. Für den Spin gibt es aber – typisch für Quantenmechanik – nur ganz bestimmte Richtungen, im einfachsten Fall zwei: plus oder minus. In einem ferromagnetischen Material zeigen die meisten Elektronen in die gleiche Richtung.
Wenn jetzt z.B. eine Schicht aus nicht-magnetischem Metall zwischen zwei magnetischen Schichten liegt, dann kommt es sehr darauf an, ob die Richtung des Magnetfeldes in den beiden magnetischen Schichten gleich ist: Dann kommen die meisten Elektronen (auch in der Zwischenschicht) gut voran, der Widerstand ist niedrig. Umgekehrt wird der Widerstand hoch, wenn die Schichten gegenläufig magnetisiert sind. Dass dieser Effekt so stark ist, liegt an den Eigenschaften der Grenzflächen: Die Elektronen können nämlich – abhängig von ihrem Spin – von einer Schicht in die andere wandern, was den Widerstand erhöht. (Diese Erklärung klingt und ist eher unbeholfen, um das Phänomen besser zu erklären, braucht man die Bändertheorie der Festkörper, und die kann schwierig werden.)
Aus digital wird digital
Das GMR-Prinzip wird jedenfalls in den Leseköpfen ausgenützt, die Computerfestplatten lesen. Hier bleibt eine magnetische Schicht konstant, die andere richtet sich nach dem Magnetfeld an der Stelle der Festplatte, über die der Lesekopf gerade fährt. So ändert sich der Widerstand (und damit der Strom) im Lesekopf in Abhängigkeit vom magnetischen Muster der Festplatte – und zwar nicht kontinuierlich, sondern so sprunghaft wie dieses. Die digitale Information (plus/minus) wird in ein digitales Signal (hoher/niedriger Strom) verwandelt.
Diese GMR-Technik hat die frühere Technik mit Induktionsspulen – Veränderung des Magnetfeldes erzeugt Strom in der Spule – längst abgelöst. Der Durchbruch wurde dadurch möglich, dass man Systeme aus dünnen Schichten industriell zu erzeugen lernte. Wenn diese Schichten ganz besonders dünn werden (nur wenige Atomlagen), dann macht sich ein ganz spezieller quantenmechanischer Effekt bemerkbar: der Tunneleffekt, mit dem Elektronen paradoxerweise auch durch isolierende Schichten kommen. Dieses Effekts soll sich die nächste Generation von Leseköpfen bedienen.
Magneto-Theoretiker auch in Wien
Dabei ist die Theorie der letzten technologischen Revolution, der GMR, noch gar nicht im Detail verstanden. „Theoretische Festkörperphysiker, die sich auf „spinpolarisierte“ Modelle verstehen – etwa Peter Weinberger (TU Wien), der mit Fert und Grünberg in Kontakt steht –, haben da noch einiges zu denken und zu rechnen. Mit Hilfe von Computern, die ihre Daten per GMR lesen.
NEUE NOBELPREISTRÄGER
Peter Grünberg, geboren 1939 in Pilsen, kam nach dem Krieg nach Hessen. Deutscher Staatsbürger. Studierte in Frankfurt und Darmstadt. Seit 1972 ist er am Forschungszentrum Jülich, seither erforscht er auch Systeme aus dünnen Schichten. Er ist begeisterter Tennisspieler, gilt unter Kollegen als stiller, bescheidener Typ. „Zum Teil hatten wir es schon erwartet“, sagte er zu seiner Auszeichnung, „aber nicht ganz, sonst hätte ich einen Schlips angezogen.“ Bundeskanzlerin Angela Merkel, selbst Physikerin, hat ihm bereits gratuliert.
Albert Fert, geboren 1938 in Carcassone (Frankreich), studierte an der Université Paris-Sud in Orsay. Dort baute er ein auf dem Gebiet magnetischer Strukturen führendes Labor auf, als dessen heimlicher Direktor er auch nach seiner Pensionierung gilt. Er liebt den Jazz von Thelonious Monk und die Filme von Pedro Almodóvar. [AP/Euler]
("Die Presse", Print-Ausgabe, 10.10.2007)