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Physik international
Abb. 4: Schematischer Aufbau eines MTJ-Lesekopfs, wie er heute
in Magnetplattenspeichern eingesetzt wird (Quelle: IBM).
bei Raumtemperatur zu erreichen, hauptsächlich verursacht
durch Spin-Flip-Streuung an den Interfaces. Die Tunnelbarrieren
waren meist Oxide, die durch Oxidation eines vorher
aufgebrachten dünnen Metallfilms (Al, Mg) hergestellt wurden.
Durch Gitterfehlanpassung entstand dabei eine starke
mechanische Spannung. In der weiterentwickelten Technologie
werden die Oxide durch Plasmaoxidation aus der
Gasphase aufgewachsen, womit perfekte Tunnelbarrieren mit
Schichtdicken zwischen 2–4 nm hergestellt werden konnten.
Mit MgO-Barrieren wurde dadurch ein „kolossaler“ Magnetowiderstand
(CMR) von 472 % erreicht!
Die Integration von Magneto-Tunnel-Junctions kann auch in
die Standard-CMOS Prozesslinie der Halbleiterproduktion
überführt werden, wodurch die Herstellung hochintegrierter (16
kB) magnetischer RAMs (MRAM) bereits gelungen ist [3]. Ein
wesentlicher Vorteil ist die Nichtflüchtigkeit der gespeicherten
Information bei Stromausfall und der mit SRAM vergleichbar
schnelle Speicherzugriff, wobei der Leistungsverbrauch gegenüber
SRAM stark reduziert werden konnte.
Ein großes Marktsegment ist auch der Einsatz von GMR-Fühlern
in der Magnetsensorik. Die Empfindlichkeit von GMR-
Sensoren übersteigt bereits die von Hall-Sensoren, sie sind
weniger temperaturempfindlich und dazu noch korrosionsbeständig.
Sie messen mittelbar (über angebrachte Magnete
als „seismische“ Massen und Positionsmarker) Beschleunigungen,
Positionen und Drehbewegungen. Sie werden verstärkt
in der Automobilindustrie, zur Erhöhung der Fahrsicherheit
von Automobilen eingesetzt.
Obwohl auf atomaren Bahnen spin-polarisierte elektrische
Ströme (10 11 A/cm 2 ) schon lange bekannt sind, war es bis jetzt
nicht möglich, magnetische Stoffe durch Stromfluß permanent
zu magnetisieren. Allerdings gibt es vielversprechende
Experimente, hohe Stromdichten von 10 7 -10 8 A/cm 2 in Nanostrukturen
(50 nm-Säulenstrukturen [4], Carbon-Nanotubes
[5]) und Rastertunnelmikroskopen [6] lokal herzustellen und
damit den Magnetisierungszustand von Nanomagneten (z.B.
Fe-Inseln) umzuschalten. Durch hohen Stromfluß nähern sich
die Elektronen hinreichend weit an, um die in Abb. 2 vorgestellten
Korrelationseffekte ausnutzen zu können, wodurch
auf das lokale magnetische Moment eines Nanomagneten
ein Spin-Drehmoment ausgeübt wird. Durch Ausnutzen des
kohärenten Transports in mesoskopischen Quantensystemen
und durch resonantes Tunneln in spin-abhängigen Tunnelbarrieren
kann der Magnetisierungzustand der Elektroden einer
Doppelheterostruktur auch elektrisch von positiv nach negativ
geschaltet werden, ähnlich der negativen Steilheit einer Tunneldiode
oder von resonanten Tunneltransistoren. Ein jüngst
erfolgreich durchgeführtes Experiment mit Carbon-Nanotubes
[5] zwischen LaSrMnO-Elektroden verspricht, der Realisierung
eines schon 1990 vorgeschlagenen „Spintransistors“ näher
zu kommen. Der Verdienst der Nobelpreisträger Grünberg
und Fert war, die teilweise vorausgesagten Effekte auch wirklich
praktisch realisiert und auf den Markt gebracht zu haben.
Die derzeit experimentell realisierten Riesenmagneto-Widerstandsänderungen
haben sogar die Theoretiker überrascht!
6 Nr. 4/2007