© Forschungszentrum Jülich GmbH

Magnetische Sandwiches für die Sensortechnik

Nachdem das Patent auf Grünbergs Erfindung seit Ende der 80er Jahre sowohl in Europa als auch in den Vereinigten Staaten angemeldet ist, wurde nun die International Business Machines Corporation (IBM) auf die Erfindung aufmerksam: Zwischen IBM und dem Forschungszentrum Jülich wurde ein Lizenzvertrag mit einem größeren Volumen abgeschlossen, der es IBM 1997 ermöglichte, auf Grundlage der Grünbergschen Erfindung hochsensitive Magnetfeldsensoren zu produzieren.

Magnetische Schichtstrukturen, die derartiges leisten, bestehen aus mindestens drei Stockwerken. Das erste und dritte Stockwerk ist jeweils ein ferromagnetisches Material wie Eisen oder Kobalt. Getrennt sind diese beiden durch eine Zwischenschicht - beispielsweise aus Chrom oder Kupfer -, die nur aus wenigen atomaren Lagen besteht, so daß diese Zwischenschichtdicke in Millionstel von Millimetern gemessen wird. Trotz der trennenden Zwischenschicht können die beiden ferromagnetischen Ebenen miteinander "kommunizieren": ihre magnetischen Ausrichtungen sind miteinander verkoppelt.

Als erstmalig vor mehr als 20 Jahren damit begonnen wurde, solche Sandwiches aus magnetischen und nichtmagnetischen Schichten zu untersuchen, fand man zunächst, daß die Magnetisierungen in der oberen und unteren Schicht beide stets in dieselbe Richtung zeigen. Es erschien naheliegend, als Erklärung ferromagnetische Brücken anzunehmen, die über die Zwischenschicht hinweg das erste und dritte Stockwerk verbinden sollten.

Für Aufregung sorgte daher die Entdeckung, daß im Sandwichsystem Eisen-Chrom-Eisen bei gewissen Chromdicken die Magnetisierungen in den Eisenschichten entgegengesetzt ausgerichtet sind. Zeigte die untere etwa von links nach rechts, so die obere von rechts nach links. Für andere Zwischenschichtdicken konnten auch Kopplungen registriert werden, die zu einer senkrechten Stellung der Magnetisierungen zueinander führen. Die Art der Kopplung - parallel, antiparallel oder senkrecht - oszilliert zwischen diesen drei Möglichkeiten bei Änderung der Zwischenschichtdicke. Zwei atomare Lagen Chrom mehr oder weniger lassen das System etwa von der parallelen in die antiparallele Stellung springen. Inzwischen weiß man, daß hinter diesem Phänomen ein quantenmechanischer Resonanzeffekt der Elektronen in der nichtmagnetischen Zwischenschicht steckt, über den die magnetische Information von Stockwerk zu Stockwerk weitervermittelt wird.

Der technisch interessante Clou liegt in einer physikalischen Besonderheit bei antiparalleler Magnetisierungsausrichtung. Die Schichtstruktur zeigt einen Riesenmagnetowiderstandseffekt: Der elektrische Widerstand des Schichtmaterials ist gegenüber dem Fall paralleler Magnetisierung stark erhöht. Bei antiparalleler Magnetisierung wird die Bewegung der Elektronen vermehrt durch Streuprozesse gestört, was sich als Widerstandserhöhung des Materials bemerkbar macht. Als Rekordwert konnte bei Schichtungen aus Kobalt und Chrom fast eine Verdoppelung des Widerstands bei Zimmertemperatur gemessen werden. Die Kräfte, welche die magnetische Ober- und Unterschicht miteinander verkoppeln, sind außerordentlich klein; sie liegen im Promillebereich der Kräfte, die in einer einzelnen Schicht den Ferromagnetismus tragen. Es genügen daher schwache äußere Magnetfelder, um die antiparallele Kopplung zu zerstören und beide Schichtmagnetisierungen parallel zum äußeren Feld auszurichten. Da bei paralleler Magnetisierung die elektronische Bewegung ungestörter verläuft, führt eine kleine, äußere Ursache für den elektrischen Widerstand zu einer großen Wirkung. Eben dies ist das Charakteristikum eines empfindlichen Sensors.

Zum Auslesen magnetisch gespeicherter Daten wird ein solcher Sensor zunächst miniaturisiert werden. Wird er dann über die Oberfläche des Datenträgers geführt, so werden sich die Magnetisierungen in den Schichten des Sensors durch die schwachen magnetischen Streufelder aus den magnetischen Bereichen des Trägers verdrehen - es folgt ein Spannungsabfall als Signal. Verglichen mit früheren Magnetfeldsensoren in Festplattenlaufwerken wird das Meßsignal deutlich erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Kleinste Magnetzellen des Speichermediums können so ausgelesen werden.

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Wir sind Nobel!

Nach diesem Ausflug in die Theorie des GMR zurück in die Niederungen der Cachologie.

Achtung: Menschen mit Herzschrittmachern sollten von dem ein oder anderen Magneten ca. 1/2 m Abstand halten! Es handelt sich um sehr starke Permanentmagnete.
 

Die Wegstrecke beträgt ca. 4 km und ist ein Rundweg. Ihr werdet insgesamt ca. 2 bis 3 Stunden benötigen, bis ihr wieder bei den Parkplatzkoordinaten ankommt. Der Cache ist nicht für Kinderwagen und Rollstuhlfahrer geeignet. Die Wege sind zum Teil sehr schlammig.

Bei allen Stationen erhaltet ihr Informationen, die ihr zum Auffinden des Cacheverstecks benötigt. Merkt sie euch gut. Vor allem in welcher Reihenfolge ihr sie bekommt!

Die folgenden Empfehlungen solltet ihr beachten und die angegebenen "Ausrüstungsgegenstände" müsst ihr auf jeden Fall dabei haben, damit ihr den Cache schafft:

-   ihr solltet mindestens zu Zweit sein, da das ein oder andere Experiment alleine sehr schwierig durchzuführen ist.
-   GPS
-   Kompass
-   Kenntnisse über und die Möglichkeit Wegpunktprojektionen zu machen
-   Zeitmesser mit Sekundenanzeige
-   Festes Schuhwerk
-   Schreibutensilien

Nachdem ihr euere Nobel-Karosse bei N 50° 54.822'   E 006° 25.482' abgestellt habt, begebt euch zu den Startkoordinaten bei N 50° 54,845'   E 006° 25,506'. Folgt dort dem Wanderweg 1 in Richtung Südosten bis zur Station 1. Diese befindet sich bei N 50° 54,806'   E 006° 25,642'. Hier erwartet euch das erste Experiment zum Thema Magnetismus. Schaut Euch bei den angegebenen Koordinaten ein wenig um und ihr werdet die entsprechenden Utensilien und die Anleitung für den Versuch finden.

17.06.2011
Station 7 wurde verändert und an anderen Koordinaten versteckt.

18.07.2011
Achtung: Leider musste Station 1 heute verlegt werden, weil sie gestohlen wurde. Geht für die Durchführung des Experiments bitte ein wenig in "Deckung" z. B. in den Graben. Dort, wo ihr die Rohre findet, befindet ihr euch auf dem Präsentierteller. Bitte versteckt die Experimentiergegestände wieder sehr sorgfältig, da dieses Versteckt deutlich exponierter ist als das vorherige.

Nun viel Spaß und eine kurzweilige Runde! Wenn ihr auf dem Weg zu Station 1 einen Blick nach rechts werft, könnt ihr sogar einen Blick auf das Forschungszentrum Jülich erhaschen.

Station 1:    Fällt da was?

Station 2:   Magnetisches Versteck

Station 3:  Peilen und los!

Station 4: Hält es noch?

Station 5:  Angeln

Station 6:  Attraktion - Repulsion

Station 7:  In die Röhre schauen

Station 8:  Cache