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Nobelpreis 2007

Nobelpreis 2007. Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandes. Prof. Dr. H. Bärwolff: Physik am Mittwoch 24.10.2007 13 15 Raum 0.405. Der 23. Nobelpreis für Physik, 2007 geht an deutschen Forscher. 2007 an P. Grünberg und A. Fert

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Nobelpreis 2007

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Presentation Transcript

  1. Nobelpreis 2007 Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandes Prof. Dr. H. Bärwolff: Physik am Mittwoch 24.10.2007 1315 Raum 0.405

  2. 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

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

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

  5. Spintronic Spintronic = Spin + Elektronik Definition: Die Spintronic nutzt das magnetische Moment des Elektrons zur Informations-darstellung und –verarbeitung aus.

  6. 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

  7. Die Quantentheorie wurde 1899 von Max Planck entwickelt: Der lineare harmonische Oszillator hat diskrete Energiestufen Spin up + 1/2 Spin down - 1/2 Die Theorie hat unübersehbare Konsequenzen: Es gibt eine kleinste meßbare Wirkung, das Plancksche Wirkungsquantum h E = h ƒ, Spin als quantenmechanischer Drehimpuls, HUR, etc.

  8. Der Stern Gerlach Versuch

  9. Maxwellsche Gleichungen Materialgleichungen:

  10. M r e – Bohrsches Magneton 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:

  11. Bohrsches Magneton  Das führt zum magnetischen Bahnmoment eines einzelnen Elektrons (Bohrsches Magneton) Der Betrag des magnetischen Spinmoments nimmt mit ebenfalls genau den Wert des Bohrschen Magnetons an.

  12. Magnetismus • Diamagnetismus • Paramagnetismus • Ferromagnetismus • Antiferromagnetismus • Ferrimagnetismus

  13. Dia- und Paramagnetismus B = μ0⋅H = μ0 ⋅ (H + M) : = M / H B: magnetische Flußdichte H: magnetische Feldstärke μ: Permeabilität (Durchlässigkeit) des Vakuums M: Magnetisierung : magnetische Suszeptibilität  < 0  > 0

  14. Ferro-, Ferri-, und Antiferromagnetismus Ferromagnetismus Fe, Co, Ni, Gd, Tb Ferrimagnetismus Fe3O4 Speichermedium Antiferromagnetismus MnO, FeO, CoO, NiO Spins richten sich von selber aus, allerdings nur in den Weißschen Bezirken

  15. Hysterese-Kurve Remanenz Nicht magnetisierte Probe Domänen willkürlich verteilt Koerzitivfeldstärke Große Koerzitivfeldstärke, große Remanenz Dauermagneten

  16. Fermi-Dirac-Verteilung Bändermodell Bändermodell und Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion

  17. Elektrischer Widerstand in Metallen • Drude-Lorentz-Modell • Komplexe Sreuphänomenologie Elektron-Elektron-Streuung Elektron-Phonon-Streung Elektron-Gitterdefekte-Streuung Spinabhängige Streuung (GMR)

  18. 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.

  19. Komplexwertige Wellenfunktion 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

  20. Kronig-Penney-Modell Potentialschwelle Der Festkörper als eindimensionale Näherung. In den Potentialtöpfen wird die Schrödingergleichung gelöst. Orbitale als Betragsquadrat einer Elektron-Wellenfunktion (Aufenthaltswahrscheinlichkeit).

  21. 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

  22. 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 magnetoresistance Richtungsabhängiger Streuquerschnitt, verursacht durch Spin-Bahn-Kopplung. Der Effekt ist abhängig vom Winkel zwischen Stromfluss und äußerem Feld.

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

  24. Widerstandsänderungen von 80% (300K) bzw. 220% (4.2K) Unabhänig von Orientierung zwischen Magnetfeld und Strom

  25. M Gesamt- strom Mottsches Zweistrommodell (MZM) 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).

  26. Parallele Ausrichtung Antiparallele Ausrichtung nicht magnetische Schicht Ferromagnetische Schicht Kanal für Spin up/down Ersatzschaltbild nach Kirchhoffschen Gesetzen kleinen Widerstand großen Widerstand

  27. FerromagnetismusSpinpolarisiertes Bändermodell

  28. Nettospinpolarisation P Ji: Partiellen Ströme im Spin-Unterband gi: Leitfähigkeit des Spin-Unterbandes Für Ferromagneten gilt: P ca. 10 – 45% für Fe, Co, Ni

  29. Strom besteht aus Elektronen mit gleichen Anteilen beider Spinrichtungen Transversales Magnetfeld Ladungsträgerinjektion aus (F) in (N)  Überschuss einer Spinsorte Zusätzlich Axiales Magnetfeld Ladungs-/Spintransport

  30. Der GMR-Effekt ist abhängig von: • Dicke der Schichten • Temperatur • Verwendete Materialien • Weitere Einflußgrößen

  31. Zwischenschichtkopplung • Keilförmige Schichtstruktur • Magnetische Schichten Wechselwirken durch Zwischenschicht • Quantenmechanischer Effekt • Räumliche Ausrichtung der Magnetisierung

  32. „oszillierende Zwischenschichtkopplung“  Antiparallele Spinausrichtung automatisch durch Schichtdicke einstellbar

  33. Temperaturabhängigkeit • TEM-Aufnahmen von Co/Cu-Lagen • 600°C  Defekte im Schichtsystem • 740°C  granularer Zustand

  34. Materialabhängigkeit

  35. Spin-Ventile „free“ Ferromagnetische Schicht (NiFe) nicht magnetische Schicht (Cu) „pinned“ Ferromagnetische Schicht (NiFe) Antiferromagnetische Schicht (FeMn) AFM legt Magnetisierungsrichtung der angrenzenden FM-Schicht fest (pinning)

  36. Erhöhung von H: - nahe H = 0 schaltet free-FM - Magnetisierung von pinned-FM bleibt unverändert  steiler Anstieg des Widerstands, da beide FM-Schichten nun antiparallel sind weitere Erhöhung von H: - R bleibt solange hoch, bis äußeres Feld so groß ist, dass die Austauschkopplung (FM/AFM) überwunden wird - Magnetisierung der zweiten, gepinnten Schicht klappt um  Widerstand fällt

  37. Nanotechnologie in Computer-Festplatten

  38. 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

  39. 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)

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

  41. Lesen eines Bit:- Widerstandsmessung

  42. Bit 1  Strompuls der eine Drehung der Magnetisierung um 180° bewirkt (200 – 500ps) Problem: Andere Zellen erfahren magnetische Anregung durch Puls  langsames Abklingen  Totzeit 10ns Bit 0  Pulse so wählen, dass Drehung um 360° stattfindet

  43. GMR-Sensoren Vorteile • hohe Empfindlichkeit bei kleinsten Abmessungen • hohe Linearität und Temperaturstabilität • gutes Preis-Leistungsverhältnis

  44. Anwendungen von GMR-Sensoren • lineare Positionsmessung (z.B. Druckkopfpositionierung) • Drehwinkelmessung • Drehzahlmessung (z.B. ABS)

  45. Zukunftsaussichten Quantenelektronik • Spin-Transistoren • Bauelemente mit einzelnen Elektronen/Atomen Optoelektronik • Optische Datenverarbeitung • Holografische Speicher Molekularelektronik • Moleküle und Atome als Schalter Nanoelektronik • Als systemübergreifende Technologie

  46. 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

  47. Auf dem Weg zum Spin-Transistor

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