GMR-Effekt
Der GMR-Effekt (engl. Giant Magneto Resistance, dt. „Riesen-Magnetwiderstand“) ist ein quantenmechanischer Effekt, der in dünnen Filmstrukturen beobachtet wird, die aus sich abwechselnden ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten bestehen.
Der Effekt zeigt sich in einem signifikanten Anstieg des elektrischen Widerstands der Struktur, wenn zwei ferromagnetische Ebenen Elektronen mit gegenläufigem Spin enthalten (im Gegensatz zu einem niedrigeren elektrischen Widerstand, wenn die beiden Ebenen Elektronen mit parallelem Spin enthalten).
Der Effekt wurde zuerst 1988 von Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und Albert Fert der Universität Paris-Süd in voneinander unabhängiger Arbeit entdeckt, wofür sie 2007 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden. Die Möglichkeiten, den Effekt in einem Sensor für ein magnetisches Feld einzusetzen (und damit als einen neuen Typ von Lesekopf in einer Computerfestplatte), wurden schnell durch ein IBM-Forschungsteam durch Stuart Parkin entdeckt. Er replizierte den Effekt mit polykristallinen Schichten. IBM stellte im Dezember 1997 das erste kommerzielle Laufwerk her, das diesen Effekt nutzte. Derzeitig konzentriert sich die Forschung auf den Einsatz von mehrschichtigen Nanodrähten (die eine größere Empfindlichkeit als die gegenwärtig genutzten Filme bieten).
Es ist angebracht, zwischen zwei Fällen zu unterscheiden, die normalerweise beide dem GMR zugeschrieben werden:
- Zwei ferromagnetische Ebenen sind getrennt durch einen sehr dünnen (ungefähr 1 nm) nicht-ferromagnetischen Spacer (etwa Fe/Cr/Fe). Ab einer gewissen Dicke sorgt die RKKY-Wechselwirkung zwischen den zwei Ferromagneten dafür, dass eine parallele oder eine anti-parallele Ausrichtung energetisch bevorzugt wird. Der elektrische Widerstand dieser Einheit ist bei einer anti-parallelen Ausrichtung normalerweise höher, wobei der Unterschied bei Zimmertemperatur mehr als 10 % erreichen kann.
- Zwei ferromagnetische Ebenen sind getrennt durch einen (ungefähr 3 nm) dünnen nicht-ferromagnetischen Spacer ohne RKKY-Kopplung. Wenn die Koerzitivfeldstärken der beiden ferromagnetischen Elektroden verschieden sind, ist es möglich, diese unabhängig voneinander zu wechseln. Folglich kann eine parallele und eine anti-parallele Ausrichtung erreicht werden, wobei der elektrische Widerstand im anti-parallelen Fall wiederum normalerweise höher ist. Dieses Bauteil wird manchmal auch als Spinventil (spin-valve) bezeichnet.
Neben der Anwendung in Festplatten wird der GMR-Effekt auch in der nichtflüchtigen Speichertechnologie Magneto-resistive Random Access Memory und in Magnetfeldsensoren der Automobilindustrie ausgenutzt.