Der Riesenmagnetwiderstand

Neue magnetische Effekte und ihre Nutzung

Bildbeschreibung:
Neue magnetische Effekte und ihre Nutzung. (a) Mikroskopischer Ursprung des Riesen-(GMR) und des Tunnel-(TMR)Magnetwiderstands: Bei entgegengesetzter Orientierung der magnetischen Schichten ist die Streuung der Leitungselektronen und damit der elektrische Widerstand deutlich erhöht; (b) vereinfachte Darstellung, wie der GMR zum Auslesen einer magnetischen Struktur genutzt werden kann, z. B. in einer Spur auf einer Speicherplatte; (c) Grundprinzip eines MRAM (Magnetic Random Access Memory) mit vielen TMR-Elementen zwischen gekreuzten Leiterbahnen zum Schreiben und Auslesen der Bits. Die relative Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten bestimmt den Zustand "1" oder "0". (E. Goering u. G. Schütz-Gmeineder, Universität Würzburg)

Die in jüngster Zeit wohl spektakulärste und für die Anwendung wichtigste Entdeckung im Bereich des Magnetismus ist die des Riesenmagnetwiderstandes. Sie wurde möglich durch den raschen Fortschritt der Nanotechnologie im Bereich dünner Schichten. Separiert man z. B. zwei ferromagnetische Schichten durch einige Atomlagen eines nichtmagnetischen Materials wie Kupfer, so orientieren sich die Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten bei ganz bestimmten Dicken der Zwischenschicht unerwarteterweise in entgegengesetzte Richtungen. Diese antiferromagnetische Ordnung ist jedoch so wenig stabil, dass bereits ein kleines äußeres Magnetfeld das Schichtsystem in den ferromagnetischen Zustand bringt, bei dem die Schichten gleiche magnetische Orientierung haben. Dabei ändert sich der elektrische Widerstand der Schichtstruktur sehr stark, was zum Namen Riesenmagnetwiderstand (engl. Giant Magneto Resistance, GMR) geführt hat. Die mikroskopische Ursache für den im antiferromagnetischen Fall deutlich erhöhten Widerstand besteht darin, dass die Leitungselektronen auf ihrem Weg längs der entgegengesetzt magnetisierten Schichten stark behindert werden (s. Abb. 1(a), oben). Dies kommt daher, dass ein Elektron, das sich in der einen ferromagnetischen Schicht aufgrund seines Impulses gut ausbreiten kann, in der anders orientierten, benachbarten ferromagnetischen Schicht keinen "passenden Zustand" findet und deshalb stark gestreut wird. Dadurch wird die sogenannte Diffusionslänge der Leitungselektronen deutlich kürzer und der elektrische Widerstand erhöht.

Dem Riesenmagnetwiderstand sehr ähnlich ist der Tunnelmagnetwiderstand (TMR), der auftritt, wenn eine Spannung zwischen zwei magnetischen Schichten angelegt wird, die durch eine dünne Oxidschicht voneinander getrennt sind (s. Abb. 1(a), unten). Obwohl eine Oxidschicht eigentlich keinen Strom leitet, können die Ladungsträger die Schicht "durchtunneln", wenn diese nur wenige Nanometer dick ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Ladungsträger tunneln, und infolgedessen auch der elektrische Widerstand hängen wie beim GMR davon ab, wie die Magnetisierungen der beiden Metallschichten zueinander orientiert sind.

Die Widerstandsänderungen bei Variation eines äußeren Magnetfeldes sind bei GMR und TMR enorm groß und können mit sehr hoher Präzision elektronisch detektiert werden. Damit ergibt sich eine Vielfalt neuer Anwendungsmöglichkeiten, z. B. in Geräten zur Positions- und Winkelmessung, in Stromdetektoren oder in Leseköpfen zum Auslesen einer magnetisch beschriebenen Platte. Das letzte Beispiel ist vereinfacht in Abb. 1(b) dargestellt. Die GMR-Leseköpfe lösen heute schon die bisherigen, weniger empfindlichen Induktionsleseköpfe ab. Dadurch ist es möglich geworden, die Speicherkapazitäten von Computerfestplatten beträchtlich zu erhöhen.

Prinzip des Riesenmagnet- widerstands

Ein weiteres wichtiges Bauelement, das auf den Tunnelmagnetwiderstand zurückgeht, ist das Spinventil. Es besteht aus einer ferromagnetischen Basisschicht, die magnetisch härter ist als eine zweite ferromagnetische Schicht, die von ihr durch eine Zwischenschicht getrennt ist. Die Magnetisierung dieser zweiten Schicht ist leicht drehbar, so dass aufgrund des GMR- oder TMR-Effekts ein elektrischer Widerstand leicht durch ein äußeres Feld geregelt werden kann.

Auf diesen Prinzipien gründet eine neue Technologie, die Magnetoelektronik, die als Alternative zur Halbleiterelektronik im Gespräch ist. Eines der magnetoelektronischen Bauelemente ist das MRAM (Magnetic Random Access Memory), das aus einem großen Areal von Spinventilen und Leiterbahnen besteht, wie schematisch in Abb. 1(c) dargestellt. Der Strom, der durch die gekreuzt angeordneten Leiterbahnen fließt, erzeugt das Magnetfeld, das den TMR-Widerstand schaltet. Die Information wird als ferro- oder antiferromagnetischer Zustand, also als "1" oder "0", in die einzelnen TMR-Elemente geschrieben. Sie ist nichtflüchtig gespeichert, d. h. sie geht auch bei Stromausfall nicht verloren, und kann mit geringem Strom leicht ausgelesen werden.