Empfindlicher Nanokontakt

News: Empfindlicher Nanokontakt

Es braucht ganz besonders feinfühlige Magnetfeldsensoren, um die kleinen Bits eines magnetischen Speichermediums zu detektieren. Winzige Kontaktstellen zwischen zwei magnetischen Leiterbahnen erfüllen diese Aufgabe offenbar besonders gut.

Thorsten Krome

Auf magnetischen Speichermedien, wie der Festplatte oder der betagten Diskette, sind Daten in einem winzigen magnetischen Strichmuster abgelegt. Je nachdem, ob in so einem Bereich die Magnetisierung in die eine oder in die andere Richtung weist, handelt es sich hierbei um eine "0" oder eine "1" – ein Bit. Seit den ersten Tagen dieser Datenträger sind die Abmessungen eines solchen Bits jedoch zusehends geschrumpft, denn nur so ließ sich die hohe Kapazität moderner Festplatten erreichen.

Dabei kommt dem Lesekopf der Laufwerke die feinfühlige Aufgabe zu, die kleinen Feldänderungen aufgrund der unterschiedlichen Magnetisierung zu detektieren. Je kleiner jedoch die Bits sind, desto empfindlicher muss der Sensor reagieren, um die schwachen Felder noch in ein elektrisches Signal umzusetzen.

In einem Experiment demonstrierten nun Harsh Deep Chopra und Sudan Hua von der State University of New York at Buffalo einen winzigen Sensor, der mit ungewöhnlich starken Widerstandsänderungen aufwarten kann. Um mehr als 3000 Prozent änderte sich so der elektrische Widerstand im Magnetfeld. Zum Vergleich: Der Rekord beim so genannten Riesenmagnetowiderstand (GMR, giant magnetoresistance) liegt etwa bei hundert Prozent. Immerhin war diese Änderung seinerzeit schon so gut, dass heute fast jede moderne Festplatte auf diese Technik zurückgreift. Und auch die bisher größte gemessene Widerstandsänderung bei so genannten CMR-Materialien (colossal magnetoresistance) nimmt sich mit 1300 Prozent eher bescheiden gegenüber dem neuartigen Sensor aus.

Die hohe Empfindlichkeit verdankt der winzige Sensor von Chopra und Hua, wie schon sein Vetter, der GMR, dem Spin des Elektrons. Doch anders als beim GMR besteht das Leseelement nicht aus einer Abfolge dünner magnetischer Schichten, sondern lediglich aus zwei T-förmig zueinanderstehenden Nickel-Leiterbahnen, die sich nur mit einigen wenigen Atomen an der Kreuzungsstelle berühren. In einem solchen Nanokontakt bewegen sich die Elektronen ballistisch; das heißt, ihre Bahn durch den Kontakt beschreibt weitgehend eine Gerade – im Unterschied zu normalem voluminösem Material: Hier werden die Elektronen ständig an Störstellen gestreut und verfolgen deshalb einen Zickzackkurs durch den Leiter.

Im Nanokontakt sind es jedoch vor allem magnetische Effekte, die eine Streuung der Elektronen und damit einen erhöhten Widerstand bewirken. Wenn zum Beispiel die magnetischen Momente in dem Kontakt ihre Richtung ändern – etwa weil sie ein äußeres Feld dazu zwingt – dann können nicht alle Elektronenspins dieser Richtungsänderung folgen, werden deshalb gestreut und verursachen so einen höheren Widerstand. Normalerweise wird dieser Effekt vom spezifischen Widerstandsverhalten des jeweiligen Materials überdeckt, bei den kleinen Abmessungen spielen aufgrund des ballistischen Transportverhaltens diese Streumechanismen jedoch keine Rolle mehr, sodass magnetische Streuprozesse voll zur Geltung kommen. Folgerichtig heißt dieser Effekt auch ballistischer Magnetwiderstand (BMR).

Wie schon der GMR so ließe sich auch der BMR in Leseköpfen von Festplatten einsetzen. Chopra und Hua gehen sogar davon, dass sich mit ihm die Speicherdichte der Datenträger um das Tausendfache steigern ließe, wenn man die Bits so klein wie den Nanokontakt schreiben würde. Ein Terabit pro Quadratzoll wäre so zu erreichen – derzeit schreiben die modernsten Festplatten Daten mit einer Dichte von etwa zehn bis 15 Gigabit pro Quadratzoll.

Neben der technischen Anwendung im Bereich der magnetischen Datenspeicher könnte die BMR-Technik aber auch in der Wissenschaft für einigen Fortschritt gut sein: So ließen sich bessere Magnetfeldmessungen an einzelnen Atomen, Molekülen und winzigen Clustern durchführen. Und auch die Auflösung von Magnetkraftmikroskopen könnte von der Technik profitieren.