Der Riesenmagnetwiderstand verschwindet

Wenn das äußere Magnetfeld die Magnetpole in den Eisenschichten parallel ausrichtet, dann kommt es zum Effekt des Riesenmagnetwiderstandes - oder besser gesagt: Der Riesenmagnetwiderstand verschwindet. Denn wenn die Magnetfelder in beiden Schichten gleich sind, gibt es keine Symmetrie im Verhalten mit unterschiedlichem Elektronenspin mehr. Wenn ein Elektron mit einer bestimmten Spinausrichtung einen niedrigen Widerstand in der ersten Schicht erfährt, dann auch in der zweiten Schicht. Dadurch fließt mit einem äußeren Magnetfeld immerhin die Hälfte der Elektronen durch einen Leiter mit niedrigem elektrischen Widerstand, was gut messbar ist.

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Der Effekt war so viel stärker als alle damals bekannten Effekte, dass er schon 1988 in der Publikation der französischen Forschergruppe um Albert Fert als Riesenmagnetwiderstand bezeichnet wurde. In den folgenden Jahren wurden darauf aufbauend ähnliche Effekte mit anderen Metallen, aber auch Halbmetallen und mit Hilfe des Quantentunneleffekts erzeugt. Besonders die letzte Methode wird in Leseköpfen moderner Festplatten ausgenutzt.

Der Tunneleffekt ist noch empfindlicher

Sogenannte Halbmetalle wie Chromdioxid sind selbst ferromagnetisch, ähnlich wie Eisen. Aber sie leiten nur Elektronen mit einer bestimmten Ausrichtung des Elektronenspins, für alle anderen sind sie Isolatoren. Der Unterschied in der Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom Elektronenspin ist also viel größer, und Geräte, die daraus gebaut werden, sind empfindlicher. Um den Quantentunneleffekt auszunutzen, wird zwischen den magnetischen Schichten ein sehr dünner elektrischer Isolator gesetzt. Der Isolator würde normalerweise jeden Stromfluss verhindern, aber er ist so dünn, dass Elektronen durch quantenphysikalische Effekte (den Tunneleffekt) dennoch hindurch gelangen können.

Der Effekt ist eine der Konsequenzen der Schrödinger-Gleichung, die Elektronen nicht als Teilchen, sondern als Wellenfunktion beschreibt. Elektronen haben selbst noch dort eine gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit, wo sie nach der klassischen Physik nicht sein dürften. Im Ergebnis können Elektronen dadurch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit die Barriere überwinden. Die Wahrscheinlichkeit hängt aber sehr empfindlich davon ab, ob die Magnetpole auf beiden Seiten noch vollständig gegengesetzt sind oder schon teilweise in die gleiche Richtung zeigen.

Neue Elektronik ist möglich, aber in der Zukunft

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Jede dieser Verfeinerung der Technik baute auf der ursprünglichen Entdeckung des Riesenmagnetwiderstandes auf und bedient sich der Idee übereinandergestapelter Schichten mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand, der vom Elektronenspin abhängig ist. Sie ermöglichten es, das Signal-Rausch-Verhältis bei der Messung von Magnetfeldern zu verbessern. Das ermöglicht es entweder, Messungen mit der gleichen Genauigkeit in kürzerer Zeit durchzuführen, oder in der gleichen Zeit Messungen mit höherer Genauigkeit.

Da der Riesenmagnetwiderstand zustande kommt, weil Elektronen entsprechend ihres Spins unterschiedliche Eigenschaften zeigen, wird gehofft, daraus eine neue Form der Elektronik, die Spintronik, zu entwickeln. Aber bisher sind Anwendungen dieser Technik noch kaum über die reine Forschung hinaus gekommen.

1989 wurde Grünberg mit dem Zukunftspreis des Bundespräsidenten und 2006 mit dem Erfinderpreis der Europäischen Kommission ausgezeichnet. 19 Jahre nach der Entdeckung wurde 2007 Albert Fert und Peter Grünberg als Leiter der jeweiligen Forschungsgruppen der Nobelpreis verliehen, für ihren wichtigen Beitrag zur Wissenschaft und zur technischen Entwicklung. Grünberg sagte dazu: "Ich war total überwältigt, hatte aber insgeheim gehofft, den Preis einmal zu bekommen."

Nach 2007 war Grünberg Träger der ersten Helmholtz-Professur und forschte mit seiner Arbeitsgruppe weiter zur Spintronik. Das Forschungszentrum Jülich, an dem Peter Grünberg tätig war, hat einen Blogeintrag als Kondolenzbuch eingerichtet.

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 Nobelpreisträger: Mitentdecker des Riesenmagnetwiderstands gestorben
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