Nobelpreisträger: Mitentdecker des Riesenmagnetwiderstands gestorben

In einer einfachen Konstruktion aus sehr dünnen Materialschichten entdeckte Peter Grünberg einen neuen Effekt: den Riesenmagnetwiderstand. Dieser machte Terabyte-Festplatten erst möglich. Der Physiknobelpreisträger ist im Alter von 78 Jahren gestorben.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 10. April 2018, 8:01 Uhr

Peter Grünberg war Entdecker des Riesenmagnetwiderstandes, der Grundlage moderner Festplatten. (Bild: Forschungszentrum Jülich)

2007 verlieh die schwedische Akademie der Wissenschaften dem Franzosen Albert Fert und dem Deutschen Peter Grünberg den Nobelpreis in Physik. Beide leiteten Forschergruppen, die unabhängig voneinander im Jahr 1988 den GMR-Effekt entdeckten, besser bekannt als Riesenmagnetwiderstand. Peter Grünberg ist in der vergangenen Woche im Alter von 78 Jahren in Jülich gestorben, wie das Forschungszentrum Jülich mitteilte. Es würdigte ihn als "herausragenden Wissenschaftler, der auf dem Gebiet der Festkörperforschung weltweit Maßstäbe gesetzt hat".

Riesenmagnetwiderstand resultiert in einer starken Veränderung des elektrischen Widerstandes in Anwesenheit eines Magnetfeldes. Solche Effekte sind seit 1856 bekannt, als Lord Kelvin (Wiliam Thomson) entdeckte, dass der elektrische Widerstand von Eisen und Nickel steigt, wenn ein Magnetfeld quer zur Stromflussrichtung angelegt wird. Der Effekt des Riesenmagnetwiderstands ist aber wesentlich stärker. Er ermöglicht die Messung kleiner Schwankungen von Magnetfeldern durch eine einfache Messung des elektrischen Widerstandes. Die genaue Kontrolle und Verfeinerung der Anwendung des Effekts ermöglichte in den folgenden Jahrzehnten die Entwicklung kompakter Festplatten mit Kapazitäten bis in den Terabytebereich, was mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde.

Der Effekt selbst beruht auf dem unterschiedlichen Leitungsverhalten von Elektronen in Abhängigkeit vom Elektronenspin. Die Abhängigkeit war schon vor der Entdeckung des Riesenmagneteffekts bekannt. Nach Aussage des Nobelkomitees hatte vor allem Albert Fert zuvor schon über viele Jahre diesen Effekt untersucht. Tatsächlich wurden die Auswirkungen des Riesenmagnetwiderstandes auch schon vor 1988 in Experimenten beobachtet, aber sie wurden nicht als eigener Effekt erkannt.

Halbleitertechnologie machte den Effekt erst möglich

Der Effekt kann zustande kommen, weil die elektrische Leitfähigkeit von magnetischen Materialien wie Eisen davon abhängt, ob der Spin der Elektronen parallel zum Magnetfeld im Eisen ausgerichtet ist, oder nicht. Das fällt im Normalfall nicht auf, weil der Spin von Elektronen zufällig verteilt ist. Die Hälfte der Elektronen erfährt damit zwar den hohen Widerstand und die andere Hälfte den niedrigen, aber einfache Messgeräte können das nicht unterscheiden und messen nur den gemeinsamen elektrischen Widerstand.

Die Entdeckung wurde überhaupt erst möglich, weil in den 1960er und 1970er Jahren Technologien zur Erzeugung sehr dünner Schichten für Anwendungen in der Halbleitertechnik entwickelt wurden. Die Molekularstrahlexpitaxie machte es möglich, zuverlässig Schichten mit wenigen Atomlagen auf Substrate aufzubringen. Die Entdeckung des Effekts wurde mit einer Konstruktion aus einer nur 1 Nanometer dicken Schicht Chrom zwischen zwei 10 Nanometer dicken Eisenschichten gemacht. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Chromatoms in dieser Metallschicht beträgt 0,128 Nanometer.

Durch die Schichtanordnung ist es möglich, die Effekte des Elektronenspins aufzuheben, indem alle Elektronen zwei Schichten durchlaufen müssen, die gegeneinander ausgerichtet sind. Wenn ein Elektron mit einem bestimmten Elektronenspin in der ersten Schicht den höheren Widerstand erfährt, dann kommt es als nächstes in eine Eisenschicht mit umgekehrt ausgerichteten Magnetpolen, und erfährt den niedrigen elektrischen Widerstand. Ein Elektron mit dem umgekehrten Spin erfährt zuerst den niedrigen und dann den hohen Widerstand.

Tatsächlich richten sich die Magnetfelder in den beiden Eisenschichten spontan gegeneinander so aus, dass dieses Ergebnis eintritt. In dem Fall heben sich die Magnetfelder der beiden Schichten gegenseitig auf, was die energetisch günstigste Konfiguration ist. Das funktioniert aber nur, wenn Eisenschichten sehr dünn sind und nicht durch ein äußeres Magnetfeld gestört werden. Wenn dagegen ein äußeres Magnetfeld anliegt, werden sich die Magnetpole in beiden Eisenschichten tendenziell entlang dieses äußeren Magnetfeldes ausrichten.