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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 - PowerPoint PPT Presentation
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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)