Physik-Nobelpreis für deutschen Entdecker des GMR-Effekts

Heute handelsübliche Technik in Festplatten wurde 1988 entdeckt

Fast 20 Jahre nach ihrer Entdeckung der "Giant Magneto Resistance" (GMR) erhalten die Wissenschaftler Albert Fert (Frankreich) und Peter Grünberg (Deutschland) zu gleichen Teilen den Nobelpreis für Physik. Der GMR-Effekt legte Ende der 90er-Jahre den Grundstein für weitere Steigerungen der Kapazität von Festplatten und ist heute aus den Geräten nicht mehr wegzudenken.

Artikel veröffentlicht am 9. Oktober 2007, 15:35 Uhr, Nico Ernst

Die beiden Forscher entdeckten 1988 den GMR-Effekt unabhängig voneinander und teilen sich folglich auch den Nobelpreis, der mit 1,09 Millionen Euro dotiert ist. Was Fert und Grünberg entdeckten, ist zudem heute eine der ersten kommerziellen Anwendungen von quantenmechanischen Effekten. Der GMR-Effekt entsteht, wenn zwischen zwei ferromagnetischen Schichten - beispielsweise aus Eisen oder Kobalt - eine Zwischenschicht aus einem nichtmagnetischen Material wie Chrom gelegt wird. Dieser "Spacer" ist nur wenige Atomlagen und im Falle von Chrom nur rund einen Nanometer dick. Üblicherweise würden sich die beiden Magnetfelder der oberen und unteren Lage parallel ausrichten.

Peter Grünberg (Bild: FZ Jülich) Fert und Grünberg fanden aber heraus, dass abhängig von der Dicke des Spacers die Ausrichtung einer der Schichten auch gegenläufig und damit antiparallel verlaufen kann. Verantwortlich dafür ist - wie sich erst später herausstellte - ein quantenmechanischer Resonanzeffekt im Spacer, der die Information über die Ausrichtung des Magnetfeldes zwischen den beiden Schichten überträgt. Je nach Dicke des Spacers kann das Magnetfeld der einen Schicht genau definiert in die Zustände parallel, antiparallel oder senkrecht zur Ausrichtung des anderen Feldes gebracht werden.

GMR-Effekt (Bild: FZ Jülich) Interessant für die technische Anwendung ist dabei das Verhalten des Spacers selbst. Sorgt er für eine antiparallele Ausrichtung, verändert sich sein elektrischer Widerstand, der bis auf das Doppelte des ursprünglichen Werts ansteigt. Der Spacer arbeitet damit als sehr effizienter Verstärker, der auf Veränderungen eines Magnetfeldes leicht messbar reagiert. Dieser Umstand macht GMR so interessant für die Anwendung bei Festplatten, weil die Stärke der Magnetfelder auf dem Datenspeicher - und damit die Packungsdichte der Information - deutlich kleiner werden kann, als ohne die heute üblichen GMR-Köpfe, die in Festplatten für das Lesen und Schreiben von Informationen zuständig sind.

Peter Grünberg, der bereits 1988 am Forschungszentrum Jülich arbeitete, meldete die Entdeckung zum Patent an. Erst 1997 lizenzierte jedoch als erster Festplatten-Hersteller IBM den GMR-Effekt und bot in der Folge Festplatten mit GMR-Köpfen an - auch heute noch findet sich der Hinweis auf dieses Konstruktion der Köpfe in den Datenblättern. In der Folge erschienen auch von allen anderen Anbietern Festplatten mit GMR-Köpfen. So stellte beispielsweise Fujitsu auf der CeBIT 1999 die damals "schnellste Festplatte der Welt" vor, die bei 10.000 Umdrehungen pro Minute schon 45 MByte/s erreichte und 36 GByte speichern konnte.

Der deutsche Forscher verfolgte diese praktische Anwendung seiner Erfindung noch mit und setzte sich 2004 im Alter von 65 Jahren offiziell zur Ruhe. Schon während seiner aktiven Zeit sowie auch danach wurde er mit zahlreichen Preisen und Ehrungen ausgezeichnet. Unter anderem erhielt er den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten, den Japan-Prize der japanischen Forschungsakademie und den Preis der Wolf-Foundation. Am 10. Dezember 2007, dem Todestag von Alfred Nobel, erhält Peter Grünberg in Stockholm nun die höchste wissenschaftliche Auszeichnung für die Entdeckung von GMR.