Nobelpreis 2007Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandes

Prof. Dr. H. Bärwolff:

Physik am Mittwoch

24.10.2007 1315 Raum 0.405

Der 23. Nobelpreis für Physik, 2007 geht an deutschen Forscher

2007 an P. Grünberg und A.Fert

1988 am Forschungszentrum in Jülich von Peter Andreas Grünberg entdeckt

Agenda

Einführung Physikalische Grundlagen Erläuterung des GMR-Effektes Anwendungen des GMR-Effektes Java-Applet zur Anwendung Ausblick (Spintransistor) Lebenslauf des Nobelpreisträgers Zusammenfassung

Grundlagen

Quantentheorie Maxwellsche Gleichungen Bändermodell (Fermi-Verteilungsfunktion) Mottsches Zweikomponentenmodell Bohr-Sommerfeld-Atommodell Festkörperphysik und Magnetismus

Spintronic

Spintronic = Spin + Elektronik

Definition:

Die Spintronic nutzt das magnetische Moment des Elektrons zur Informations-darstellung und –verarbeitung aus.

Spin

Spin 1920 durch Otto Stern und Walter Gerlach

entdeckt spin engl.: Drehung, Drall Quantenmechanische Eigenschaft von

Elementarteilchen Beschreibt Eigendrehimpuls eines Teilchens Messbar durch das von ihm assoziierte

magnetische Moment

Spin up+ 1/2

Spin down- 1/2

Die Quantentheorie wurde 1899 von Max Planck entwickelt:

Der lineare harmonische Oszillator hat diskrete Energiestufen

Die Theorie hat unübersehbare Konsequenzen:

Es gibt eine kleinste meßbare Wirkung, das Plancksche Wirkungsquantum h

E = h ƒ, Spin als quantenmechanischer Drehimpuls, HUR, etc.

Der Stern Gerlach Versuch

Maxwellsche Gleichungen

ED

HB

EjJ

r

r

0

0

Materialgleichungen:

0

divB

divDt

BrotE

t

DJrotH

Bohrsches Magneton

IFc

1M

Im Bohr-Sommerfeldschen-Atommodell bewegen sich Elektronen auf Kreis- bzw. Ellipsenbahnen um den Atomkern.(4 Quantenzahlen: n, l, m, s) Pauli-Prinzip

Ein Ringstrom I, der eine geschlossene Fläche F umläuft erzeugt gemäß Maxwell ein magnetisches Moment:

e –

M

r

SLJ

Bohrsches Magneton

Das führt zum magnetischen Bahnmoment eines einzelnen Elektrons

32110273,94

cmGaußcm

heB

(Bohrsches Magneton)

Der Betrag des magnetischen Spinmoments nimmt mit

ebenfalls genau den Wert des Bohrschen Magnetons an.

22

1 hS

Magnetismus

Diamagnetismus

Paramagnetismus

Ferromagnetismus

Antiferromagnetismus

Ferrimagnetismus

Dia- und Paramagnetismus

B = μ0⋅H = μ0 (⋅ H + M) : = M / HB: magnetische Flußdichte

H: magnetische Feldstärke

μ: Permeabilität (Durchlässigkeit) des Vakuums

M: Magnetisierung

: magnetische Suszeptibilität

< 0 > 0

Ferro-, Ferri-, und Antiferromagnetismus

Spins richten sich von selber aus, allerdings nur in den Weißschen Bezirken

Antiferromagnetismus

MnO, FeO, CoO, NiO

Ferrimagnetismus

Fe3O4

Speichermedium

Ferromagnetismus

Fe, Co, Ni, Gd, Tb

Hysterese-Kurve

Nicht magnetisierte ProbeDomänen willkürlich verteilt

Remanenz

Koerzitivfeldstärke

Große Koerzitivfeldstärke, große Remanenz Dauermagneten

Bändermodell und Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion

Fermi-Dirac-Verteilung Bändermodell

Elektrischer Widerstand in Metallen

Drude-Lorentz-Modell

Komplexe Sreuphänomenologie

Elektron-Elektron-StreuungElektron-Phonon-StreungElektron-Gitterdefekte-StreuungSpinabhängige Streuung (GMR)

Schrödingergleichung

Die Schrödingergleichung ist eine, bzw. die, zentrale Grundgleichung der Quantenmechanik. Die Lösungen dieser Gleichung werden auch Wellenfunktionen genannt. Diese Wellenfunktionen beschreiben die räumliche und zeitliche Entwicklung des Zustands eines Quantensystems. Die Gleichung wurde 1926 von Erwin Schrödinger (1887-1961) zuerst als Wellengleichung aufgestellt.

Als „Bewegungsgleichung der Quantenmechanik“ bildet sie noch heute das Fundament für fast alle praktischen Anwendungen der Quantenmechanik und Festkörperphysik.

Die komplexwertige Wellenfunktion ψ (r, t) eines Punktteilchens in einem Potential V ist eine Lösung der Schrödingergleichung

wobei m die Masse des Teilchens, r sein Ort, Δ der Laplace-Operator und t die Zeit sind.Sie ist eine lineare partielle Differentialgleichung 2. Ordnung, parabolischer Typ, ähnlich der Wärmeleitungsgleichung

Komplexwertige Wellenfunktion

t,rt,rVm2

t,rt

i2

Kronig-Penney-ModellPotentialschwelle

Der Festkörper als eindimensionale Näherung. In den Potentialtöpfen wird die Schrödingergleichung gelöst. Orbitale

als Betragsquadrat einer Elektron-Wellenfunktion (Aufenthaltswahrscheinlichkeit).

Riesenmagnetowiderstandseffektoder GMR-Effekt

1988 durch P. Grünberg und A.Fert am Forschungszentrum Jülich entdeckt

1997 erste industrielle Anwendung durch die Fa. IBM in Festplatten, Stuart Parkin

Magnetowiderstände Definition

relative Änderung des Widerstands eines Leiters in einem äußeren Magnetfeld

MR-Effekte OMR: ordinary magnetoresistance

Lorentzkraft, tritt in allen Metallen auf

AMR: anisotropic magnetoresistanceRichtungsabhängiger Streuquerschnitt, verursacht durch Spin-Bahn-Kopplung. Der Effekt ist abhängig vom Winkel zwischen Stromfluss und äußerem Feld.

R

RMR

Riesen-Magnetowiderstand in ultradünnen Schichten (Giant Magneto-resistance, GMR-Effekt)

Widerstandsänderungen von 80% (300K) bzw. 220% (4.2K)

Unabhänig von Orientierung zwischen Magnetfeld und Strom

anti

parallelanti

anti R

RR

R

RGMR

Mottsches Zweistrommodell (MZM)

Gesamt-strom

M

Durch inelastische Elektron-Streuprozesse kommt der Widerstand zustande. Er ist der ursächlichen Driftbewe-gung entgegengerichtet.

Nach dem MZM (Sterne markieren inelastische Streuprozesse) teilt sich der Gesamtstrom in zwei Teilströme auf(Spinflip 0).

Parallele Ausrichtung Antiparallele Ausrichtung

FerromagnetischeSchicht

nicht magnetische Schicht

Kanal fürSpin up/down

Ersatzschaltbild nach Kirchhoffschen Gesetzen

kleinen Widerstand großen Widerstand

FerromagnetismusSpinpolarisiertes Bändermodell

Nettospinpolarisation P

Ji: Partiellen Ströme im Spin-Unterband

gi: Leitfähigkeit des Spin-Unterbandes

Für Ferromagneten gilt:

P ca. 10 – 45% für Fe, Co, Ni

0P

gg

gg

JJ

JJ

gg

Ladungs-/Spintransport

Strom besteht ausElektronen mit gleichenAnteilen beider Spinrichtungen

Transversales Magnetfeld

Ladungsträgerinjektion aus (F) in (N) Überschuss einer Spinsorte

Zusätzlich AxialesMagnetfeld

Der GMR-Effekt ist abhängig von:

Dicke der Schichten Temperatur Verwendete Materialien Weitere Einflußgrößen

Zwischenschichtkopplung

Keilförmige Schichtstruktur Magnetische Schichten

Wechselwirken durch Zwischenschicht

Quantenmechanischer Effekt Räumliche Ausrichtung der

Magnetisierung

„oszillierende Zwischenschichtkopplung“

Antiparallele Spinausrichtung automatisch durch Schichtdicke einstellbar

Temperaturabhängigkeit

TEM-Aufnahmen von Co/Cu-Lagen 600°C Defekte im Schichtsystem 740°C granularer Zustand

Materialabhängigkeit

Material GMR % (bei 300K)

{Fe(4,5)/Cr(12)}50 42

{Co(7,5)/Cu(9)}30 48

{Co(8)/Cu(8,3)}60 65

{Co(10)/Cu(10)}100 80

Co90Fe10(40)/Cu(25)/Co90Fe10(8)… 7

NiFe(100)/Cu(25)/Co(22) 4,6

Spin-Ventile

AFM legt Magnetisierungsrichtung der angrenzenden FM-Schicht fest (pinning)

„free“ Ferromagnetische Schicht (NiFe)

nicht magnetische Schicht (Cu)

„pinned“ Ferromagnetische Schicht (NiFe)

Antiferromagnetische Schicht (FeMn)

Erhöhung von H:- nahe H = 0 schaltet free-FM- Magnetisierung von pinned-FM bleibtunverändert steiler Anstieg des Widerstands, da beideFM-Schichten nun antiparallel sind

weitere Erhöhung von H:- R bleibt solange hoch, bis äußeres Feld sogroß ist, dass die Austauschkopplung(FM/AFM) überwunden wird- Magnetisierung der zweiten, gepinntenSchicht klappt um Widerstand fällt

Nanotechnologie in Computer-Festplatten

Leseköpfe von Festplatten 1997 von IBM entwickelt

und auf den Markt gebracht

Heute Standardmäßig in jeder Festplatte

Schnellere Lesezeiten

Leseköpfe sind kleiner geworden mehr Daten auf Speichermedium

MRAM (Magnetische Speicher)

Information bleibt bei Stromunterbrechung erhalten Lese/ Schreibzeit einige Nanosekunden 1000mal

schneller als herkömmliche Speicher Verbrauchen weniger Energie als herkömmliche

Speicher Werden durch Radioaktive Strahlung nicht zerstört Höhere Speicherdichten (>30Gb/inch2) als

herkömmliche Medien (Auf CD-Größe ca. 500Gb)

Beschreiben eines Bit‘s:-Elektrischer Puls Magnetfeld-Schreiben auf Schreib- und Lesebahn Adressierungeinzelner Bits möglich

Lesen eines Bit:- Widerstandsmessung

Bit 1 Strompuls der eine Drehung der Magnetisierung um 180° bewirkt (200 – 500ps)

Problem: Andere Zellen erfahren magnetische Anregungdurch Puls langsames Abklingen Totzeit 10ns

Bit 0 Pulse so wählen, dass Drehung um 360° stattfindet

GMR-Sensoren

Vorteile hohe Empfindlichkeit bei kleinsten

Abmessungen hohe Linearität und Temperaturstabilität gutes Preis-Leistungsverhältnis

Anwendungen von GMR-Sensoren

lineare Positionsmessung (z.B. Druckkopfpositionierung)

Drehwinkelmessung Drehzahlmessung (z.B. ABS)

ZukunftsaussichtenQuantenelektronik Spin-Transistoren Bauelemente mit einzelnen Elektronen/Atomen

Optoelektronik Optische Datenverarbeitung Holografische Speicher

Molekularelektronik Moleküle und Atome als Schalter

Nanoelektronik Als systemübergreifende Technologie

Zukunftsaussichten, GMR-Effekt

Magneto- und Spin-Elektronik Spin-Transistoren Konfigurierbare Logikbausteine denkbar

TMR: tunneling magnetoresistance Wie GMR, jedoch Isolator als Zwischenschicht MR durch spinabhängige Tunnelströme R/R bis 50% in low-field Umgebungen

CMR: colossal magnetoresistance Widerstandsänderungen um mehr als Faktor 1000! Jedoch starke Magnetfelder und tiefe Temperaturen notwendig

Auf dem Weg zum Spin-Transistor

Der Rashba-Effekt

Ist eine bestimmte Kopplung des Elektronenspins in Spin-Feldeffekttransistoren an die orbitale Bewegung des Elektrons (asymmetrische hochreine Halbleiter-Heterostrukturen bei tiefen Temperaturen)

Die Manipulation des Spins erfolgt durch eine Spannung, die durch eine Gate-Elektrode gesteuert wird. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Bewegungs-richtung des Elektrons und bewirkt eine „Präzessionsbewegung“, die die Spinausrichtung verändert (Spin-Orbit-Kopplung).

Peter Andreas Grünberg wurde am 18. Mai 1939 in Pilsen (jetzt Tschechien) geboren. Eltern Dipl.-Ing. Feodor A. Grünberg und Anna Grünberg

1946: Aussiedlung nach Lauterbach in Hessen, Einschulung

1950-1959: Besuch des Realgymnasiums Lauterbach

1959-1963:Physikstudium an der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt (Main), Vordiplom 1962

1963-1969:Fortsetzung des Physikstudiums an der Technischen Hochschule Darmstadt, Diplom 1966, Promotion

1969

1966: Heirat mit Helma Prausa. Drei Kinder: Andreas (1973), Sylvia (1974) und Katharina (1981)

1969-1972:Postdoctoral Fellow des National Research Council of Canada an der Carleton Universität in Ottawa,

Canada

seit 1972: Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Festkörperforschung im Forschungszentrum Jülich 

Lebenslauf des Nobelpreisträgers

Lebenslauf des Nobelpreisträgers 1984: Habilitation an der Universität zu Köln,

Privatdozent

1984-1985:Forschungsaufenthalt am Argonne National Laboratory, Illinois, USA

1986: Arbeiten zur Antiferromagnetischen Kopplung in Fe-Cr- Fe-Schichten

1988: Arbeiten zum GMR-Effekt im Forschungszentrum Jülich

1992: Ernennung zum Außerplanmäßigen Professor an der Universität zu Köln

1998: Halbjähriger Forschungsaufenthalt an der Universität von Sendai und im Forschungszentrum Tsukuba,

Japan

2004: Nach 32 Jahren im Forschungszentrum Jülich tritt Peter Andreas Grünberg in den "Unruhestand"

Literaturangaben Mark Johnson, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 14278 – 14291 Gary A. Prinz, Science, Vol. 282, 1998 H. W. Schumacher, Phys. Unserer Zeit, 6/2005 (36), 261 Jürgen Fassbender, Phys. Unserer Zeit, 3/2003 (34), 102 Heinz Krenn, Phys. Unserer Zeit, 5/2002 (33), 218 – 225 Wecker, Kinder, Richter, Phys. Unserer Zeit, 5/2002 (33), 210 – 217 Daniel Bürgler, Magnetoelectronics Dennis Engberding, Giant Magnetic Resistance P. Grünberg: Riesenmagnetowiderstand in magnetischen Schichtstrukturen,

Physikalische Blätter 51 (1995) Nr. 11 Gary A. Prinz: Spin-Polarized Transport, Physics Today, Special Issue\

Magnetoelectronics", April 1995 Rudolf Gross, Achim Marx: Spinelektronik, Skript zur Vorlesung, Walther-

Meissner-Institut Garching, 2004 GMR-Animation, Forschungszentrum Jülich

http://www.fz-juelich.de/portal/gruenberg/hintergrund

Drittmittel- oder Applikationsforschung ist wichtig, aber nicht alles. Grundlagenforschung bringt nicht das schnelle Geld, sondern kostet zunächst Geld und erfordert einen langen Atem. Das zahlt sich letztlich aus. Der Forscher Grünberg ist dafür ein gutes Beispiel: bescheiden, hartnäckig und geduldig.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

(H. Bärwolff, A. Wagen)