Mit dem Regler kannst du den GMR-Sensor testen: In der Animation seht ihr einen GMR-Sensor mit seinen drei Schichten, also ein Spinvalve. Ihr könnt die Dicke der nichtmagnetischen Trennschicht verändern und damit die RKKY-Kopplung der beiden magnetischen Schichten beeinflussen. Versucht damit, einen funktionierenden Sensor zu bauen! Um den Sensor zu testen, kann ein äußeres Magnetfeld aktiviert werden. In dem unteren Graphen wird dabei der aktuelle Widerstand angezeigt.

GMR-Effekt

Der Riesenmagnetowiderstand oder auch GMR (Giant Magneto Resistance), ist ein Effekt, bei dem die elektrische Leitfähigkeit eines speziellen metallischen Systems durch äußere Magnetfelder stark beeinflusst wird. Anders gesagt: Man kann durch Messung des Widerstands Magnetfelder detektieren. Auf Basis dieses Effekts kann man Sensoren bauen, z.B. Festplattenleseköpfe. Ein Sensor mit dieser Technologie zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Genauigkeit aus. Für die Entdeckung des Effekts wurde 2007 der Nobelpreis verliehen.

Ein GMR-Sensor ist im Wesentlichen ein Stapel sehr dünner metallischer Schichten, durch die ein elektrischer Strom geleitet wird. Die einzelnen Metallschichten eines solchen Stapels sind nur wenige Nanometer dick und bestehen immer abwechselnd aus ferromagnetischem Material (z.B. Kobalt, Eisen oder Nickel) und nicht magnetischem Material (streng genommen „Diamagneten“, z.B. Kupfer). Der einfachste Fall ist ein so genanntes „Spinvalve“, bei dem nur zwei ferromagnetische Schichten von einer nichtmagnetischen Schicht getrennt werden. Jedoch können solche Schichtstapel auch aus sehr vielen Lagen bestehen und kompliziert aufgebaut sein, wenn Sie bestimmte technische Anforderungen erfüllen müssen.

Entdeckung und Erklärung des Effekts

An solchen Systemen arbeiteten Prof. Peter Grünberg und Prof. Albert Fert. Sie fanden als erste heraus, dass sich die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Metallschichten von alleine immer abwechselnd zueinander entgegengesetzt (antiparallel) stellen kann, was man, naiv gedacht, eigentlich nicht erwarten würde. Das besondere dabei ist, dass die Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung von der Dicke der nicht magnetischen Zwischenschicht abhängig ist. Noch dazu zeigt dieses Phänomen ein „oszillatorisches Verhalten“. Das heißt, wenn man diese Dicke der Zwischenschicht erhöht, so ist die Magnetisierungsausrichtung der angrenzenden magnetischen Schichten abwechselnd parallel, dann antiparallel, dann wieder parallel und so weiter. Der physikalische Grund dafür ist die so genannte Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Wechselwirkung (kurz: RKKY-Kopplung).

Von der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen der magnetischen Lagen hängt der elektrische Widerstand des Schichtsystems direkt ab. Sind sie parallel zueinander magnetisiert, so ist der Widerstand deutlich geringer, als in antiparalleler Ausrichtung. Dieser Unterschied beruht auf der so genannten „spinabhängigen Streuung“ von Elektronen an den Grenzflächen der magnetischen Schichten. Je nach Ausrichtung der Magnetisierungen zueinander ist diese unterschiedlich stark. Bei paralleler Magnetisierung ist die Streuung insgesamt geringer als bei antiparalleler Anordnung, d.h. auch der elektrische Widerstand ist geringer.

GMR-Elemente als Sensor

Insgesamt kann man damit sehr einfach einen Sensor aufbauen: Man wählt die nichtmagnetische Zwischenschichtdicke so, dass die magnetischen Schichten antiparallel zueinander stehen; d.h. der elektrische Widerstand des Gesamtsystems ist hoch. Führt man diesen Schichtstapel nun in ein äußeres Magnetfeld, so richten sich die Magnetisierungen parallel zu diesem Feld aus: Der elektrische Widerstand sinkt. Nimmt man den Sensor wieder aus dem Feld heraus, so richten sich die Magnetisierungen wieder entgegengesetzt aus, wie zu Anfang. Der Widerstand steigt. Da Widerstände sehr einfach und genau messen kann, ist dies eine gute Möglichkeit, Magnetfelder zu detektieren.

Die relative Widerstandsänderung kann dabei im Labor bis zu 100 Prozent betragen. In typischen kommerziellen Sensoren liegt sie jedoch niedriger. Anwendungen finden sich z.B. in den Leseköpfen moderner Festplatten. Die Daten werden auf der Platte als magnetische Bits gespeichert: Steht die Magnetisierung eines bestimmten Feldes auf der Platte in die eine Richtung, so ist es eine Eins, in der anderen eine Null. Die Feldrichtung kann der GMR-Sensor lesen.

Weil diese Sensoren sehr genau sind und gut miniaturisiert werden können, konnte die Datendichte von Festplattenlaufwerken dank dieser Technologie enorm gesteigert werden.

Anwendung heute

GMR-basierende Leseköpfe gelten mittlerweile als Stand der Technik. Auch in anderen Bereichen wie der Automobilindustrie halten diese Sensoren Einzug. Aufgrund der hohen physikalischen Bedeutung der Entdeckung und der erfolgreichen Nutzung wurde 2007 dem deutschen Physiker Peter Grünberg und dem Franzosen Albert Fert der Nobelpreis für Physik verliehen. Sie hatten 1988 den Effekt unabhängig von einander entdeckt und publiziert.