Grundlagen: Festplattentechnik

GMR-Technik im Detail

GMR-Köpfe sind noch effektiver und nutzen Quanteneffekte der Elektronen. Das magneto-resistive Element besteht aus mehreren, zum Teil nur wenige Atomlagen (5 bis 15) dicken Schichten, die folgende Bezeichnungen tragen: Sensing Layer, Conducting Spacer, Pinned Layer und Exchange Layer (siehe Abbildung unten). Die ersten drei Schichten sind dabei so dünn, dass sich die Leitungselektronen über den Conducting Spacer ungehindert zwischen den einzelnen Schichten bewegen können. Die magnetische Vorzugsrichtung des Pinned Layer ist dabei fest vorgegeben und wird durch den im Bild nicht eingezeichneten Exchange Layer gefestigt. Je nachdem, wie die Magnetfelder der Speicherzellen orientiert sind, gibt es zwei Zustände im GMR-Element. Wenn das gesamte GMR-Element einheitlich magnetisiert ist, können beispielsweise Elektronen mit positivem Spin ungehindert das Element passieren. Elektronen mit einem negativen Spin werden im Pinned Layer und im Sensing Layer so abgelenkt, dass diese nicht zum Stromfluss beitragen.

Weisen bei einem Flusswechsel die beiden Layer eine unterschiedliche Magnetisierung auf, tragen weder die Elektronen mit positivem noch mit negativem Spin zum Stromfluss bei. Alle Leitungselektronen können sich in beiden Schichten befinden und gestreut werden. Das GMR-Element besitzt in diesem Fall einen sehr hohen Widerstand.

Den GMR-Effekt entdeckten Ende der 1980er Jahre unabhängig voneinander Peter Grünberg an der KFA in Jülich und Albert Fert an der Universität in Paris. Bei beiden Entdeckungen wurden extrem niedrige Temperaturen und starke magnetische Felder zur Erzeugung des Effekts benötigt. Einige Zeit nach diesen Arbeiten begannen Stuart Parkin und andere Forscher im Almaden-Forschungszentrum von IBM in San Jose, Kalifornien, mit dem Versuch, den Effekt bei Normaltemperatur und mit weniger exotischen Materialzusammensetzungen für die Massenfertigung weiterzuentwickeln. Sie benötigten dazu viele Jahre und erforschten mehr als 30.000 unterschiedliche Multilayer-Materialkombinationen. 1997 erhielten die drei genannten Forscher gemeinsam den EuroPhysik-Preis für die GMR-Entwicklung.