Peter Grünberg (2008) - From Spinwaves to Giant Magnetoresistance (GMR) and Beyond

Good morning ladies and gentlemen, so as it was said I am thrilled to say I’m the youngest here despite my age among the Nobel Prize laureates. I received the prize just last year and so I feel very good in this environment and this setting here and so many interested and motivated people. I thank you. So it was said that we have to abbreviate our talks quite a lot and I indicated that here. The title, the original title and the new title as seen up there, only that I have to get the laser going, here we are. So previously I wanted to talk about now if you look at myself, from spin waves to giant magnetoresistance and beyond. Now I think if it’s the Nobel Prize committee decided that this would be the most, most important part of it, the discovery of the giant magnetoresistance, I concentrate mainly on that and although we did a lot of work before. Yeah here we are, thank you. Good. Yeah, so I said that the committee decided to mainly give the prize for this part of giant magnetoresistance. Although we ourselves worked a lot many years before on this coupling phenomenon in the spin waves but they prepared so to say the situation for the giant magnetoresistance effective discovery but, so I can keep that low at the moment and concentrate more on the giant magnetoresistance and if there is time also some beyond. I would like to start a little bit for, as far as magnetoresistance is concerned with preliminary, previous experiments, I would like to introduce the Stern Gerlach Experiment and Mott’s two current model which introduced Mott in fact introduced already the concept of spin electronics as for transport phenomena, not only the charge of the electrons is important but also the spin and then on that basis, on this spintronics basis there was then the discovery, by Albert Fert and myself in Jülich, Albert Fert or say in France, on the giant magnetoresistance, the GMR in the so-called current in-plane geometry, I will explain that in detail what that is because we will later on go to other geometries which are also now in application. Current perpendicular, giant magnetoresistance and still another effect also, target magnetoresistance, briefly touch on that. Then this is then already except to say we are here with the discovery of giant magnetoresistance and the current induced magnetic switching of the magnetisation called also SIMS, SIMS, that is so to say that belongs to the part of Beyond and also the applications. Okay so let’s come then to Stern Gerlach Experiment and the Stern Gerlach Experiment is indicated here, you have a ray of silver atoms coming from the furnace. But the silver atoms have spins due to some designs in fact so to say one electron is missing. And then we have spin and a half of these silver atoms and in, in homogeneous fields the ray splits into two parts which comes from the fact that the spins align only parallel or anti-parallel to the magnetic field and then you can get on the screen, you’ll get this kind of a pattern which demonstrates that is the essential point which we take for the following that in a magnetic field you, or the dispense, you to spatial quantisation align themselves as a parallel line or anti-parallel to the magnetic field or in the magnetic materials to the magnetisation. I just indicate here that this Stern Gerlach Experiment is of further interest but mainly because of thought experiments. In order to demonstrate quantum mechanics and entanglement problems are discussed very much, as I said in thought experiment in the so called EPR-Bohm set up and I am very much interested in this and my heart is so to say with this part now, entanglement question discussing it with this experiment but I will not further talk about that. I just wanted to include that here for completeness. So, let’s then go on what we are, here we are. So I’ll illustrate this fact with this, what came out of the Stern Gerlach Experiment, what is of interest for us for the following. That in a magnetic solid, the conduction of electrons if you have a magnetisation, or I suppose this about an example here of the magnetisation in this direction then the conduction electrons in, in that solid align themselves either parallel or anti-parallel to the magnetisation that came out of this spatial quantisation and that is now one of the most important parts for the discussion of the following. So here this goes in to say, now one would recognise that, that on the spin orientation that the spin of an electron which takes part in a current is a conduction electron. So to say diffuses in the direction of the applied voltage that is shown here. It’s a sort of a random walk and mainly the spin direction is conserved during this walk. Sometimes the spin flips, that is a spin flip process, but we can neglect it because these cases are very rare. So this stays then stable during the current flow and therefore we can divide the current, the total current into two sub currents, one of the electrons will spin down and one will spin up and now the resistivity for this process as given by the scattering events. From symmetry we can have a different rate for the scattering events for the spin down and spin up electrons and therefore we can define for the two currents separate resistivities and indicate that by such an equivalent circuit as is shown here. For each current we get different resistivities which is given by the associated scattering events. I will use this equivalent circuitry for the full run, this is so to say is a Feynman graph of the electronics people, they explain most of them, many of their results in these, in terms of these equivalent circuits and now we’ll do that also for the following. Okay, so Mott formulated this two current model and we can understand it. But and it describes this and the currents in magnetic materials quite properly. But in that case we do not have too much chance or possibilities to manipulate these currents and this independent scattering so that’s why we were sort of thinking about other means of how one can do that. How one can go to a system where we can manipulate this independent scattering and, and this independent currents all together. And then we came up with the layered structures although it hasn’t, I say it has to, in the way, the other way around we have already working the layered structures and then we discovered that we could use that also for these phenomena where we have this independent scattering and this independent resistivities. So then the question was, suppose you can make a layered structure with deposit ability of manipulating the relative magnetic moment. I show here two cases of layered structures. This is always meant in a cross section here, so we are looking here, we have the two magnetic films indicated by the magnetisations and inter layer which is thought to be metallic but non-magnetic and now I suppose we have some, some means to align the magnetisations in these structures parallel, and in, in another case, anti-parallel to each other. And to compare now the resistivities for these two cases, for a current which flow in the vertical direction, that is, we call that ‘in plain’ because the current is flowing in plain, given by the dashed arrows here in those cases. And then one can describe that as so-called electronic Feynman graphs as I said this equivalent circuit in such a way when we have the magnetisation parallel. We have in one arm one current which shows in both films a strong resistivity, indeed a strong scattering. This would be here in that case, the spin down electrons, this one here because it is opposite to the magnetisation, the strongest scattered and establishes at least two resistors here. And in the other branch of the chain we have small resistors from the electrons which spin up because they are only weakly scattered. Okay so this is the equivalent circuit then for that case where the magnetisations are parallel and then in the other case where they are anti-parallel we have in one film both cases, which establishes strong and weak resistor here which are again in parallel but it’s well known from the electronics that you would have a much lower resistivity for that case because in one branch you have a very low resistivity and a current would mainly flow in this branch whereas here it’s equal, it equalises, it has a medium resistivity. But all together in the parallel situation here for these two currents the resister is high up. So we are ending up then with the statement that for the anti-parallel magnetisation alignment as shown here, the scattering events are distributed in such a way that compared to this situation the resistivity increases. That increase is quite appreciable in simple double layered structures, I call that double layers because they are two magnetic layers. In the simple double layered structures we are, have the record values of about twenty percent. But when we add more layers and increase so in a multi-layer situation we can increase these resistances quite appreciable because we have more interfaces and so more chance for scattering. I do not go into the details of that but that can be up to about almost one hundred percent, that means doubling of the resistivity in the anti-parallel alignment. And therefore this has caused a giant magnetoresistance effect because such an increase by a factor of two in such systems, metallic systems was rather unusual before this was discovered. Therefore it was called giant magnetoresistance effect. Okay so I said we are, if we go from the parallel to the anti-parallel alignment we have a chance to see this effect as I said. Now I have to spend a few words on how do we get, how should we do that. Magnetisation reverser, how can he achieve that, how can we get from this case where in the layered structure again we see a cross section, from this situation to this one. Where there are two other means, two means to do that, I mentioned already that for a long time before all these studies we were working on coupling phenomena, we’d been, layered magnetic structures and it turns out when you put the right material in here, between the magnetic layers, then spontaneously you can get this kind of alignment of the magnetisation. In order to somehow demonstrate how surprising this is, I always tell the following, if you would take this inter layer out and so the magnetic films are in direct contact, you would get from the exchanging direction, one magnetisation direction. It would all be magnetised in one direction. But if you put the right material in between, I call it sometimes if you put like, something like a magic glue in between, suddenly the magnetisations align spontaneously anti-parallel. And this magic glue is due to the RKKY - Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida - interaction it, for the right material you get this kind of effect, that they spontaneously order and ... so but I do not want to go into more details of that. So this is one means to put that and you can get back from this situation when you have the spontaneous anti-alignment of the magnetisation. You can go back to this situation here by simply applying the strong enough field. The strong enough field overcomes all these interactions and aligns the magnetisations parallel to each other. Okay so this, this is one way to get the anti-alignment and also when you have to go back to the ferromagnetic alignment. The other way is rather simple and almost trivial. It relies on the fact that you can have different corresponding forces for the magnetic films. The fear of a switch to the opposite magnetisation orientation can be rather different and then when you’ve, replied, when you make a structure with a hard magnetic and a soft magnet and you apply an external field then the soft magnet will switch first before the hard magnet and you can also get the anti-alignment. And it turns out what I will be talking later about sensors that are so, mostly this second technique is being used for the sensor application. Oh yes, so we have two means to switch the magnetisation and here I show you an example and that was in fact also our first paper on the GMR effect and it was submitted at the same time about as Albert Fert. I show you results on magnetoresistance. Based on samples or measured on samples which showed anti-ferromagnetic set coupling. This is revered by the so called hysteresis curve, the magnetisation as a function of the external field, I do not want to go into all details of these curves but when you measure the magneto-optical Kerr effect which is approximately proportionate to the magnetisation of the sample then you find plateaus here, maybe here. And in these plateaus you can show that the magnetisations are aligned anti-parallel in the two fields. That is indicated by these symbols here. And then you can also turn because these are epitaxial and have magnetic anisotropy. You can turn that by forty five degrees and do the same kind of measurement along a hard axis. What you get then for the magnetisation is this sheared curve which is on the right hand side, I think my laser is getting very weak now, already. Is there another one? I think there was one before. I’ll try that one. No? There is some secret on how to operate that. No? Meanwhile I think I will go back to that one. Okay then I have to describe it in another way. The one which you will see on the right hand on the top, you will see a sheared curve for the magnetisation that is typical for applying the external field along a hard axis when you get that kind of shearing here. And now we look for these two cases, easy access hard access, we look at the development of the resistance and we see in both cases for the anti-aligned case the resistance increases dramatically. Now as I think I mentioned already before, that we can go in these experiments for the double layer case to about a change of twenty percent resistivity change from parallel to anti-parallel alignment. In that case it was less, here we had only one point five percent, Albert Fert had in his multi layer structures about thirty or forty percent. So it can vary quite a lot but the most important criteria for us also to think of applications even, was the comparison with a so called anisotropic magnetoresistance effect which is an effect which is the difference between in, in the resistivity between a current growing perpendicular to the magnetisation in the sample and parallel to the magnetisation. In most cases the resistivity of such samples is larger when the current flows parallel to the magnetisations, it is something like a Faraday effect, you can compare it with that. We have a higher resistivity when it travels parallel to the magnetisation. And so in this effect, in this case it’s not very weak, not very strong, it’s down here. This is this anisotropic magnetoresistance effect and you would say this is negligible almost, ah there is somebody helping me, thank you. Great. I think they eat a lot of batteries these things, that is the problem, yeah now I’ve got it. So here you will see the anisotropic magnetoresistance effect of an iron, chromium iron structure and it’s tiny compared to the new effect which would be called, giant magnetoresistance effect. But of course this is a bit an unfair comparison here because then it’s in particular for iron, this is particularly small where you go to other magnetic materials like permalloy or also cobalt it’s much stronger. And not much but it goes up to about three percent and at that time then we had all these discoveries and our friends in France had also discovered this, this anisotropic magnetoresistance effect was in development and IBM and other companies for use in hard disc drives. It’s a sense of hard disc drives. Now when we saw this and this comparison of course, we’re very happy that we had an effect which was obviously much stronger than the AMR although as I said to you, the comparison is a little bit unfair because in that material the AMR is particularly small. Nevertheless you have the whole, by taking the right materials you could increase this effect too and so there was a good chance that this could go into the application and that happened indeed five years later. We had the first GMR type sensors on the market and it developed quite nicely. Good, so far, already a little bit for the application. Now I have to show you, how are we on time, we are oh right, I see, I have a problem. How much? Eight minutes, okay. Well I probably will show, have this, beyond part a little bit shorter. Okay so I think this is important to say because that is the configuration I was talking now all the time about. Magnetic field, it’s not showing the magnetic field here and magnetisation are in plain, or for all these cases in fact, magnetisations are always in plain, in the plain of the sample, but the current can be different. Here the current is also in the plain of this sample, we have this context here. This is how you then, then you would switch the configuration between parallel and anti-parallel and get to the GMR effect, that is the current in plain case. GMR but one can also have the current going perpendicular to the sample plain. Then you need a very, elaborate structuring in order to realise this so you have to have your contacts on the surface of the sample, that is still easy. But if you would do that with extended in lateral size, the resistivity would be much too low and you would burn your sample if you did that this way. Therefore you have to use the current pass to a very small area and then if it comes to contacting and all these things become very difficult, but it can be done so that has, that has been done and it’s called the current-perpendicular-to-plane-geometry, GMR. Finally, and that is now and the very important case has become very important meanwhile, because there have been huge effects here for this, for this configuration. You do the same as here but for the interlayer you now use not a metal but an insulator, a non-magnetic insulator, and then you get in this configuration a tunnel process across the insulator. And that also depends on the orientation, magnetic orientation of the adjacent magnetic films so you can also go from parallel to anti-parallel, and you observe also for the tunnel magnetoresistance effect you observe an increase of the resistivity when you do that. And that effect meanwhile I said already for the, for this case, if you have an effect of something like twenty percent maximum and now for this one the exciting news is that, has been measured up to five hundred percent now for the tunnel magnetoresistance effect. Huge, huge effects for the tunnelling. Of course, okay so far these values and let’s go on. I think yeah, I said that already. This is the comparison between the experiment of Albert Fert and on the multi-layer, here you see the multi layered structures, here how many single layers here he used and that was our result for the double layer which I already showed. Okay now it comes to the application. That came in, these new effects came in for computer industry and for the producers of hard disk drives, good to say it came just in the right time because they were looking for new sensors which one could make as small as possible from the, from the side of the coating of these devices was already very advanced so they could make the domain smaller and smaller. But the problem was that the sensors were not small enough to read this very packed density out. And that’s where the giant magnetoresistance came in just at the right time and helped to make these very small sensors in order to be able to read out information from hard disk drives of that kind. Okay so this shows some data, okay I think I do not have to, to dwell too much on that one. Here is that. Maybe I should mention that I, as I said, there are two ways to get the anti-alignment of the magnetisation, of the parallel alignment. You can do coupling but you can also use different forms of the hysteresis curves and you can also get to the anti-alignment. For the technical application the second is more used and is called, these structures are also for some historical reasons are called spin bars. So with the coupling, the coupling appears now to be in fact used, actually do I have that somewhere, I think I have. No, yeah here we are. The anti-ferromagnetic coupling is also used but for the media very often. So here you have a medium which is a, it’s called AFC media, anti-ferromagnetically-coupled media instead of a single magnetic ferrum on the coating of your hard disc drives you take also a double layer structure as indicated here and then the lower ferrum always magnetises itself opposite to this due to the anti-ferromagnetic coupling here and that stabilises the whole domain here. This whole structure magnetically is stabilised in this situation because you have a compensation of the field there. Now you might say well if I do that I lose my resorting component of the magnetisation. I have as much magnetisation in this direction so it appears to be unmagnetised. But that is not quite true because you have the sensor here and the sensor is nearer to the upper ferrum here. And therefore C is essentially only the upper ferrum. Then we have the benefit that magnetic fields decay with R to the, one over R cube, so we are making use of that here which sees essentially only that one and that’s not being seen anymore because of the one over R cube law. Okay where are we now since we are already at the applications I show some more, how much time do I have? Two minutes yeah and I think I’d better stay here, it’s this one. Alright so, you see some nice applications here and you see that it’s sometimes both unexpected to, in what cases you can, or even use magnetic field answers. In many cases where you never thought that there is some magnetism or so magnetism is not important. For example position sensing, speed sensing of objects, you can use magnetic field sensors and the trick is that you attach a permanent magnet to the object which you do want to monitor and then you can see its position. You see in fact a permanent magnet, attached to that object. You can monitor its speed, its motion and so on and so on and as such cases here with airplanes, you can monitor its position and speed of airplanes on airports which is an important aspect because it has to do with safety and safety you never can invest enough of, for in airports for cars and so on, so this is an application. What else do we have? This is also a nice picture that is a Mars vehicle and you can again monitor position and so of the Mars vehicle on the Mars and get this information from the magnetic field sensor, in conjunction always with the permanent magnet of course. So here is my summary, at least I can report on a few facts via this kind of summary. So discovery of magnetic inter layer exchange coupling was 1986. It triggered for us this whole development although as I said before, for the committee, the discovery of the giant magnetoresistance fact was the important part but that for us was also important to, to get to there. Then in 1988 was the discovery of the GMR effect, Grünberg and Fert, Fert in France and Grünberg in Jülich. Realisation of tunnel magnetoresistance at room temperature, I briefly touched on the tunnelling magnetoresistance. In fact I should say that tunnel magnetoresistance at the moment is taking over in the technology because of these huge values of five hundred percent. Five hundred percent is by the way five times so not be irritated by five hundred percent by that time so it’s five times stronger than in one mode than in the other. A realisation of tunnel magnetoresistance at room temperature, predication of spin transfer effects, first commercial hard disc was GMR. Experimental observation of spin transfer effects. Okay so maybe I should spend a word on this because it’s a very important development and in many laboratories at the moment, being pursued and measured. You can with strong currents in such structures you can sort of see transferred also magnetism because the currents become spin polarised so in a way you can say the current itself becomes magnetic, consists of oriented spins and they flow from one film to the other and carry, so to say magnetisation from one film to the other and this is called current induced magnetic switching, a very interesting effect and many laboratories are working on that at the moment. Where are we, giant magnetoresistance, yeah now I said already before for the tunnel magnetoresistance effect we have these huge values and tunnel magnetoresistance type sensors are taking over at the moment in technology because of these huge effects so we are going already a bit away from GMR although probably we will come back to that in some time. Okay, so maybe then I can go down here and just read that out, there is more to come, quantum information technology, quantum computing, and all has some implications from all these aspects here. Short transfer times from basic research applications and in mass markets. I thank you for your attention.

Guten Morgen, meine sehr geehrten Damen und Herren. Ich freue mich sehr darüber sagen zu können, dass ich trotz meines Alters der jüngste hier anwesende Nobelpreisträger bin; den Preis habe ich erst letztes Jahr bekommen. Ich fühle mich sehr wohl in dieser Umgebung, in diesem Rahmen mit so vielen interessierten und motivierten Menschen. Ich danke Ihnen. Uns wurde gesagt, dass wir unsere Vorträge um Einiges kürzen müssten – das Ergebnis sehen Sie hier. Dort oben lesen Sie den ursprünglichen Titel und den neuen Titel… ich muss nur den Laser in Gang bringen… jetzt haben wir’s. Ursprünglich wollte ich sprechen über – ich muss selber nachsehen – von Spinwellen zum Riesenmagnetowiderstand und darüber hinaus. Ich denke, wenn das Nobelpreiskomitee die Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands für das Wichtigste daran hielt, werde ich mich darauf konzentrieren. Und obwohl wir schon früher viel an.. Gut. Wie ich schon sagte – das Komitee entschied sich dafür, den Preis hauptsächlich für diesen Teil, für den Riesenmagnetowiderstand zu verleihen, obwohl wir schon jahrelang an diesem Kopplungsphänomen in den Spinwellen gearbeitet hatten, wodurch sozusagen der Weg zur Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandseffekts geebnet wurde. Doch ich stelle das für den Augenblick zurück und konzentriere mich in erster Linie auf den Riesenmagnetowiderstand und, wenn noch etwas Zeit bleibt, auf etwas darüber hinaus. Was den Magnetowiderstand angeht, möchte ich mit früheren Experimenten beginnen, und zwar möchte ich den Stern-Gerlach-Versuch und Motts Zweistrommodell vorstellen. Schon Mott führte das Konzept der Spinelektronik für Transportphänomene ein: Nicht nur die Ladung des Elektrons ist von Bedeutung, sondern auch der Spin. Diese Spintronik-Basis führte dann – durch mich in Jülich und Albert Fert im französischen Orsay – zur Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands, des GMR, in der so genannten Geometrie des Stroms in der Schichtebene (current in plane – CIP-Geometrie). Was das ist, werde ich ausführlich erklären, da wir später zu anderen Geometrien kommen werden, die mittlerweile ebenfalls Anwendung finden – Stromfluss senkrecht zur Schichtebene (current perpendicular to plane), Riesenmagnetowiderstand und ein weiterer Effekt, der Tunnelmagnetowiderstand; darauf werde ich kurz zu sprechen kommen. Wir befassen uns hier mit der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands; das strominduzierte Schalten der Magnetisierung (SIMS) gehört ebenso wie die Anwendungen schon zum Teil “darüber hinaus.” Kommen wir zum Stern-Gerlach-Versuch, der hier dargestellt ist. Der Ofen sendet Silberatome aus, doch die Silberatome weisen aufgrund bestimmter Effekte Spins auf; ein Elektron fehlt sozusagen. Die Silberatome haben einen Spin von ½. In homogenen Feldern wird der Strahl in zwei Teile gespalten, was darauf zurückzuführen ist, dass sich die Spins nur parallel oder anti-parallel zum Magnetfeld ausrichten. Auf dem Schirm erhält man dann dieses Muster, woraus deutlich wird – das ist der wesentliche Punkt, den wir uns für das Folgende merken müssen – dass sich in einem Magnetfeld alle Spins aufgrund räumlicher Quantisierung entweder parallel oder antiparallel zum Magnetfeld bzw. in den magnetischen Materialien zur Magnetisierung ausrichten. Hier habe ich angedeutet, dass dieser Stein-Gerlach-Versuch noch für andere Dinge interessant ist, doch hauptsächlich in Gedankenexperimenten zur Verdeutlichung von Quantenmechanik und Verschränkungsproblemen, über die sehr viel diskutiert wird. Wie gesagt – in Gedankenexperimenten wie dem so genannten EPR in der Fassung von Bohm. Daran bin ich sehr stark interessiert; mein Herz hängt sozusagen an diesem Teil – Erörterung des Verschränkungsproblems anhand dieses Experiments – doch ich werde nicht mehr darüber sprechen. Ich habe es nur der Vollständigkeit halber aufgenommen. Machen wir weiter mit unserem Thema. Ich werde das, was beim Stern-Gerlach-Versuch herauskam, was für uns im Hinblick auf des Folgende interessant ist, verdeutlichen: Dass nämlich die Leitungselektronen in einem magnetischen Festkörper, wenn es Magnetisierung gibt… ich vermute, das hier ist ein Beispiel für Magnetisierung in diese Richtung… dass sich dann die Leitungselektronen in diesem Festkörper entweder parallel oder antiparallel zu der aus der räumlichen Quantisierung kommenden Magnetisierung ausrichten. Das ist einer der wichtigsten Gesichtspunkte für die Erörterung des Folgenden. Mott erkannte, dass an der Spinorientierung… dass der Spin eines Elektrons, das als Leitungselektron an einem Stromfluss teilnimmt, sozusagen in Richtung der angelegten Spannung streut, wie hier gezeigt. Es ist eine Art Zufallsbewegung, in deren Verlauf die Spinrichtung im Wesentlichen bewahrt wird. Manchmal kippt der Spin, das ist dann der Prozess eines Spinkipps, doch das können wir vernachlässigen, weil diese Fälle sehr selten sind. Er bleibt also während des Stromflusses stabil, weshalb wir den Gesamtstrom in zwei Subströme aufteilen können. Eines der Elektronen erhält einen Abwärtsspin, das andere einen Aufwärtsspin; nun wird der spezifische Widerstand für diesen Prozess von den Streuungsereignissen vorgegeben. Von der Symmetrie können wir für Abwärts- und Aufwärtsspinelektronen unterschiedliche Häufigkeiten der Streuereignisse erhalten, weshalb wir für die beiden Ströme gesonderte spezifische Widerstände bestimmen und dies durch eine äquivalente Schaltung wie die hier gezeigte angeben können. Für jeden Strom erhalten wir unterschiedliche, durch die dazugehörigen Streuungsereignisse vorgegebene spezifische Widerstände. Diese äquivalente Schaltung werde ich für das Folgende verwenden… das ist sozusagen das Feynman-Diagramm der Elektroniker; sie erklären viele ihrer Ergebnisse anhand dieser äquivalenten Schaltungen. Das werden wir jetzt im Folgenden genauso machen. Mott formulierte also dieses Zweistrommodell, und wir können es verstehen; es beschreibt die Ströme in magnetischem Material ziemlich exakt. In diesem Fall haben wir aber nicht viele Gelegenheiten bzw. Möglichkeiten, diese Ströme und die spinabhängige Streuung zu manipulieren, weshalb wir über andere Mittel nachdachten, wie man das bewerkstelligen könnte – wie man zu einem System kommen könnte, durch das man die spinabhängige Streuung und die spinabhängigen Ströme insgesamt manipulieren kann. Schließlich landeten wir bei den geschichteten Strukturen, obwohl es eigentlich anders herum war: Wir hatten bereits mit geschichteten Strukturen gearbeitet, und dann stellten wir fest, dass wir sie auch für diese Phänomene mit spinabhängiger Streuung und spinabhängigem spezifischem Widerstand gebrauchen konnten. Die Frage lautete also – angenommen, man kann eine geschichtete Struktur mit der Möglichkeit einer Manipulation des jeweiligen magnetischen Moments erstellen. Sie sehen zwei Fälle von geschichteten Strukturen. Das ist als Querschnitt gedacht; wir haben also die beiden durch die Magnetisierung angegebenen Magnetschichten und die Zwischenschicht, die metallisch, aber nicht magnetische sein soll. Jeden haben wir, so vermute ich, die Möglichkeit, die Magnetisierung in diesen Strukturen zueinander parallel bzw. in anderen Fällen antiparallel auszurichten und die spezifischen Widerstände für die beiden Fälle zu vergleichen, für einen Strom, der in vertikaler Richtung fließt. Wir nennen das “in der Ebene”, weil der Strom in der Ebene fließt, was in diesen Fällen durch die gestrichelten Pfeile angedeutet wird. Man kann dann die äquivalente Schaltung, wenn die Magnetisierung parallel ist, auf diese Weise mit den so genannten elektronischen Feynman-Diagrammen beschreiben. In einem Zweig haben wir einen Strom, der in beiden Schichten einen starken spezifischen Widerstand, eine starke Streuung aufweist. Das wäre in diesem Fall hier, die Abwärtsspin-Elektronen, dieses hier, denn es ist der Magnetisierung entgegengesetzt. Es ist stark gestreut und entwickelt hier mindestens zwei Widerstände. Und im anderen Zweig der Kette haben wir kleine Widerstände von den Elektronen mit Aufwärtsspin, da diese nur schwach gestreut sind. Das ist die äquivalente Schaltung für den Fall, dass die Magnetisierungen parallel sind. Im anderen Fall, wenn sie antiparallel sind, haben wir in einer Schicht beide Fälle, was hier zu einem starken und schwachen Widerstand führt, die wiederum parallel sind. Aus der Elektronik wissen wir aber, dass man in diesem Fall einen viel geringeren spezifischen Widerstand hätte – in einem Zweig hat man einen sehr geringen spezifischen Widerstand, der Strom würde in erster Linie in diesem Zweig fließen, während es sich hier ausgleicht, hier ist ein mittlerer spezifischer Widerstand. Insgesamt aber ist der Widerstand in der parallelen Situation hier für diese beiden Ströme sehr hoch. Wir kommen also zu der Aussage, dass die Streuereignisse bei der hier gezeigten antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung so verteilt sind, dass der spezifische Widerstand im Vergleich zu dieser Situation stärker wird. Diese Zunahme ist bei einfachen doppelt geschichteten Strukturen beträchtlich – ich nenne sie doppelt geschichtet, weil es sich um zwei magnetische Schichten handelt. In den einfachen doppelt geschichteten Strukturen verzeichnen wir Höchstwerte von etwa 20 Prozent. Wenn wir weitere Schichten hinzufügen, können wir dann in dieser vielschichtigen Situation die Widerstände beträchtlich verstärken, denn wir haben mehr Schnittstellen und damit mehr Möglichkeiten für eine Streuung. Ich kann darauf nicht im Einzelnen eingehen, doch es können fast bis zu 100 Prozent werden – das entspricht einer Verdopplung des spezifischen Widerstands in der antiparallelen Ausrichtung. Aus diesem Grund spricht man hier von einem Riesenmagnetowiderstandseffekt, denn eine derartige Verstärkung um den Faktor zwei in solchen metallischen Systemen war vor dieser Entdeckung äußerst ungewöhnlich. Deshalb nannte man es Riesenmagnetowiderstandseffekt. Wie gesagt – wenn wir von der parallelen zur antiparallelen Ausrichtung wechseln, haben wir eine Chance, diesen Effekt zu sehen. Nun muss ich ein paar Worte darüber verlieren, wie das zu bewerkstelligen ist. Wie können wir eine Magnetisierungsumkehr erreichen? Wie kommen wir von diesem Fall einer geschichteten Struktur – wir sehen wieder einen Querschnitt – von dieser Situation zu dieser? Nun, es gibt zwei weitere Möglichkeiten, zwei Möglichkeiten, das zu erreichen. Ich sagte bereits, dass wir uns lange vor all diesen Untersuchungen mit Kopplungsphänomenen in geschichteten magnetischen Strukturen beschäftigt hatten, und es stellte sich heraus, dass dann, wenn man das richtige Material zwischen die magnetischen Schichten einfügt, spontan diese Art von Ausrichtung der Magnetisierung herauskommen kann. Um zu klarzumachen, wie überraschend das ist, erzähle ich immer Folgendes: Wenn man diese Zwischenschicht herausnehmen und damit die magnetischen Schichten in direkten Kontakt bringen würde, würde man durch den Richtungswechsel eine Magnetisierungsrichtung erhalten. Alles wäre in eine Richtung magnetisiert. Wenn man aber das richtige Material einfügt, wenn man – wie ich es manchmal nenne – so etwas wie einen magischen Klebstoff dazwischen bringt, richtet sich die Magnetisierung plötzlich spontan antiparallel aus. Dieser magische Klebstoff beruht auf der RKKY – Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Wechselwirkung, wenn man mit dem richtigen Material diese Art von Effekt erhält... aber ich will darauf nicht näher eingehen. Das ist also eine der Möglichkeiten. Von der Situation mit der spontanen Anti-Ausrichtung der Magnetisierung kann man zu dieser Situation wieder zurückkehren, indem man einfach ein ausreichend starkes Feld anlegt. Das ausreichend starke Feld überwindet all diese Wechselwirkungen und richtet die Magnetisierungen parallel zueinander aus. Das ist also eine Möglichkeit, die Anti-Ausrichtung zu erreichen und wieder zur ferromagnetischen Ausrichtung zurückzukehren. Die andere Möglichkeit ist ziemlich einfach und fast trivial. Sie beruht auf der Tatsache, dass es für die magnetischen Schichten zwei unterschiedlich gerichtete Kräfte geben kann. Das Feld, in dem sie zur entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung wechseln, kann sehr unterschiedlich sein, und wenn man eine Struktur mit einem harten und einem weichen Magneten erzeugt und ein externes Feld anlegt, dann wird der weiche Magnet vor dem harten wechseln, und man erhält ebenfalls die Anti-Ausrichtung. Für die Sensoranwendung – über Sensoren werde ich später noch sprechen – wird meistens diese zweite Technik verwendet. Wir haben also zwei Möglichkeiten, die Magnetisierung zu wechseln. Ich zeige Ihnen jetzt ein Beispiel; das war auch unsere erste Arbeit über den GMR-Effekt, die ungefähr zur gleichen Zeit wie die von Albert Fert vorgelegt wurde. Ich zeige Ihnen Ergebnisse zum Magnetowiderstand, basierend auf bzw. gemessen an Proben, die eine antiferromagnetische Kupplung zeigen. Erkennbar wird das anhand der so genannten Hysteresekurve, die Magnetisierung als eine Funktion des externen Feldes... ich will nicht auf alle Einzelheiten dieser Kurven eingehen, doch wenn man den magnetooptischen Kerr-Effekt misst, der ungefähr proportional zur Magnetisierung der Probe ist, dann findet man hier Plateaus. Und in diesen Plateaus lässt sich zeigen, dass die Magnetisierungen in den zwei Feldern antiparallel ausgerichtet sind, was durch diese Symbole angedeutet wird. Und da sie epitaxial sind und eine magnetische Anisotropie aufweisen, kann man das Ganze um 45 Grad drehen und die gleiche Messung entlang einer harten Achse vornehmen. Für die Magnetisierung erhält man dann diese gescherte Kurve, die sich auf der rechten Seite befindet... ich glaube, mein Laser wird schon sehr schwach. Gibt es hier noch einen? Ich glaube, vorhin war einer da. Ich werde den hier probieren. Nein. Ist es ein Geheimnis, wie man den bedient? Ich glaube, ich nehme wieder den hier. Na gut, dann muss ich es auf andere Art beschreiben. Rechts oben sehen Sie eine gescherte Kurve für die Magnetisierung; das ist typisch für die Anlegung des externen Feldes entlang einer harten Achse; man erhält dann diese Art von gescherter Kurve. Jetzt sehen wir uns diese beiden Fälle an – leichte Achse, harte Achse; wir betrachten die Entwicklung des Widerstands und sehen, dass sich der Widerstand im Fall der Anti-Ausrichtung in beiden Fällen dramatisch erhöht. Wie schon erwähnt, können wir in den Experimenten mit der doppelten Schicht eine Änderung des spezifischen Widerstandes um 20 Prozent bei der antiparallelen Ausrichtung gegenüber der parallelen Ausrichtung erwarten. In diesem Fall war es weniger; hier hatten wir nur 1,5 Prozent. Albert Fert hatte in seinem vielschichtigen Strukturen etwa 30 oder 40 Prozent. Das kann also stark schwanken, doch das wichtigste Kriterium, auch mit Blick auf mögliche Anwendungen, war für uns der Vergleich mit einem so genannten anisotropen Magnetowiderstandseffekt. Hierbei handelt es sich um einen Effekt, der aus dem Unterschied des spezifischen Widerstands zwischen einem senkrecht zur Magnetisierung in der Probe fließenden Strom und einem parallel zur Magnetisierung fließenden Strom besteht. In den meisten Fällen ist der spezifische Widerstand derartiger Proben größer, wenn der Strom parallel zur Magnetisierung fließt. Das ist so etwas Ähnliches wie der Faraday-Effekt; damit kann man es vergleichen. Der spezifische Widerstand ist höher, wenn der Strom parallel zur Magnetisierung verläuft. Bei diesem Effekt, in diesem Fall, ist er nicht sehr schwach... nicht sehr stark; Sie sehen das hier unten. Das ist der anisotrope Magnetowiderstandseffekt, und man würde sagen, das ist fast vernachlässigbar... hier ist jemand, der mir hilft, vielen Dank. Großartig. Ich glaube, diese Dinger haben einen hohen Batterieverschleiß, das ist das Problem. Jetzt hab ich’s. Hier sehen Sie den anisotropen Magnetowiderstandseffekt einer Chrom-Eisen-Struktur; er ist winzig im Vergleich zu dem neuen Effekt, den wir Riesenmagnetowiderstandseffekt nannten. Natürlich ist das ein etwas unfairer Vergleich, denn bei Eisen ist der Effekt besonders klein. Nimmt man andere magnetische Materialien wie Permalloy oder Kobalt, ist er viel stärker. Na ja, nicht viel, aber es geht hoch bis zu etwa drei Prozent. Zu der Zeit, als wir all diese Entdeckungen machten und unsere Freunde in Frankreich das ebenfalls entdeckten, wurde dieser anisotrope Magnetowiderstandseffekt bei IBM und anderen Unternehmen für die Verwendung in Festplatten entwickelt, als Sensor für Festplatten. Als wir das erfuhren und diesen Vergleich sahen, waren wir natürlich sehr glücklich darüber, dass wir einen Effekt hatten, der offensichtlich viel stärker war als der AMR – obwohl, wie ich ja schon sagte, der Vergleich ein bisschen unfair ist, weil der AMR in diesem Material besonders klein ist. Trotzdem bestand die Hoffnung, dass man unseren Effekt unter Verwendung der richtigen Materialien ebenfalls verstärken könnte, weshalb die Chancen gut standen, dass er in die Anwendung eingehen würde – was dann fünf Jahre später tatsächlich geschah. Wir hatten den ersten GMR-Sensor auf dem Markt, und er entwickelte sich prächtig. So weit, so gut, was die Anwendung betrifft. Jetzt muss ich Ihnen noch etwas zeigen... wie sind wir in der Zeit? Ah ja, ich habe ein Problem. Wie viel? Acht Minuten, in Ordnung. Ich werde diesen „Darüber hinaus“-Teil ein bisschen kürzen müssen, aber ich denke, eins muss ich Ihnen noch sagen, denn das ist die Anordnung, über die ich die ganze Zeit gesprochen habe. Magnetfeld – das Magnetfeld ist hier nicht zu sehen – und Magnetisierung befinden sich in der Ebene. Bei all diesen Fällen ist die Magnetisierung stets in der Ebene, in der Ebene der Probe, doch der Strom kann unterschiedlich sein. Hier ist der Strom ebenfalls in der Ebene dieser Probe, das ist unser Kontext. Dann schaltet man die Anordnung zwischen parallel und antiparallel hin und her und erhält den GMR-Effekt, das ist der Fall mit dem Strom in der Ebene – GMR. Man kann aber auch den Strom senkrecht zur Ebene der Probe fließen lassen. Dann benötigt man einen ganz ausgeklügelten Aufbau; um das zu realisieren müssen sich die Kontakte an der Oberfläche der Probe befinden; das ist noch einfach. Doch wenn man die laterale Größe erweitert, ist der spezifische Widerstand viel geringer, und man würde die Probe verbrennen, wenn man es so machen würde. Deshalb muss man dafür sorgen, dass der Strom durch einen sehr kleinen Bereich fließt; dann kommt es zum Kontakt, und all das wird sehr schwierig, aber man kann es machen. Es wurde auch gemacht; man nennt das die Current-perpendicular-to-Plane- (Strom senkrecht zur Schichtebene) Geometrie-GMR. Schließlich kommen wir zu einem Fall, der mittlerweile sehr bedeutend geworden ist, denn bei diesem Aufbau gab es riesige Effekte. Man macht das Gleiche wie hier, nur verwendet man als Zwischenschicht jetzt keine Metall, sondern einen Isolator, einen nicht magnetischen Isolator; dann erhält man bei diesem Aufbau am Isolator einen Tunneleffekt, der ebenfalls von der magnetischen Ausrichtung der angrenzenden magnetischen Schichten abhängt. Man kann also wieder von parallel zu antiparallel wechseln, und wenn man das tut, beobachtet man beim Tunnelmagnetowiderstandseffekt ebenfalls eine Erhöhung des spezifischen Widerstands. Ich habe ja schon gesagt, dass der Effekt für diesen Fall höchstens 20 Prozent ausmacht. Beim Tunnelmagnetowiderstandseffekt aber gibt es aufregende Nachrichten – hier hat man einen Effekt von bis zu 500 Prozent gemessen. Also gewaltige Effekte bei der Untertunnelung. So viel zu diesen Werten; machen wir weiter. Ich denke...ja, das habe ich schon gesagt. Das ist der Vergleich zwischen dem Experiment von Albert Fert und unserem... hier sehen Sie die vielschichtigen Strukturen, wie viele einzelne Schichten er verwendete, und das war unser Ergebnis für die doppelte Schicht, das ich bereits gezeigt habe. Nun kommen wir zur Anwendung. Diese neuen Effekte kamen für die Computerindustrie und für die Produzenten von Festplatten sozusagen genau zur richtigen Zeit, denn sie waren auf der Suche nach neuen Sensoren, die so klein wie möglich hergestellt werden konnten. Bei der Beschichtung dieser Geräte war man schon sehr weit, weshalb man den Arbeitsbereich immer mehr verkleinern konnte. Das Problem war nur, dass die Sensoren zum Auslesen dieser sehr hohen Packungsdichte nicht klein genug waren. Da kam der Riesenmagnetowiderstand genau zur richtigen Zeit; er ermöglichte die Herstellung dieser sehr kleinen Sensoren, die in der Lage waren, Informationen von Festplatten dieser Art auszulesen. Hier sehen Sie einige Daten; ich denke, damit muss ich mich nicht lange aufhalten. Ich sollte vielleicht erwähnen... ich habe Ihnen erzählt, dass es zwei Möglichkeiten gibt, die Anti-Ausrichtung der Magnetisierung zu erhalten. Mit der parallelen Ausrichtung kann man Kopplungen durchführen, doch man kann auch verschiedene Formen der Hysteresekurve verwenden und dadurch ebenfalls zur Anti-Ausrichtung kommen. Für technische Anwendungen wird die zweite Möglichkeit mehr genutzt. Aus historischen Gründen nennt man diese Strukturen auch Spinventile. Was das Koppeln betrifft...das Koppeln scheint jetzt ebenfalls Anwendung zu finden, ich habe das hier irgendwo, jedenfalls glaube ich das. Da haben wir’s. Die antiferromagnetische Kopplung wird mittlerweile häufig für das Medium verwendet. Hier haben wir ein Medium namens AFC-Medium – antiferromagnetically coupled, also antiferromagnetisch gekoppeltes Medium –; anstatt einer einzelnen magnetischen Schicht auf der Beschichtung der Festplatten nimmt man ebenfalls, wie hier zu sehen, eine doppelschichtige Struktur. Aufgrund der antiferromagnetischen Kopplung magnetisiert sich die untere magnetische Schicht immer dazu entgegengesetzt, und das stabilisiert den ganzen Bereich; die ganze Struktur ist in dieser Situation magnetisch stabilisiert, denn dort haben wir eine Kompensation des Feldes. Jetzt könnte man sagen: Wenn ich das mache, verliere ich meine aus der Magnetisierung resultierende Komponente. Ich habe in dieser Richtung genauso viel Magnetisierung; es scheint also unmagnetisiert zu sein. Aber das stimmt nicht, denn hier ist der Sensor, und der Sensor befindet sich näher an der oberen Schicht, weshalb er im Wesentlichen nur die obere Schicht sieht. Wir haben nämlich den Vorteil, dass Magnetfelder mit eins geteilt durch R^3 zerfallen. Das machen wir uns zunutze; der Sensor sieht im Wesentlichen nur diese Schicht; diese ist wegen des Eins-geteilt-durch- R^3-Gesetzes nicht mehr zu sehen. Wo sind wir jetzt...wir sind schon bei den Anwendungen; ich zeige Ihnen noch ein paar andere. Wie viel Zeit habe ich noch? Zwei Minuten? Ich denke, ich sollte dabei bleiben. Hier sehen Sie ein paar schöne Anwendungen, und wie Sie sehen, ist es manchmal überraschend, wofür Magnetfeldsensoren verwendet werden können – in vielen Fällen, bei denen man nie gedacht hätte, dass es Magnetismus gibt oder dass Magnetismus wichtig ist. Zum Beispiel kann man Magnetfeldsensoren zur Positions- oder Geschwindigkeitserfassung von Objekten verwenden. Der Trick dabei ist, dass man an dem Objekt, das man überwachen möchte, einen Dauermagneten anbringt; dann kann man seine Position erfassen. Tatsächlich sieht man einen an diesem Objekt angebrachten Dauermagneten. Man kann seine Geschwindigkeit, seine Bewegung usw. überwachen. Man kann zum Beispiel die Position und die Geschwindigkeit von Flugzeugen auf dem Flughafen überwachen, was ein sehr wichtiger Gesichtspunkt ist, denn das hat etwas mit Sicherheit zu tun, und man kann nie genug in die Sicherheit von Flughäfen, Autos usw. investieren. Das ist also eine Anwendung. Was haben wir noch... das ist auch ein schönes Bild – ein Marsfahrzeug. Man kann auch die Position des Marsfahrzeugs auf dem Mars bestimmen. Die Informationen erhält man vom Magnetfeldsensor, natürlich immer in Verbindung mit dem Dauermagneten. Ich fasse zusammen – zumindest kann ich im Wege dieser Zusammenfassung über ein paar Fakten berichten. Die Austauschkopplung der magnetischen Zwischenschicht wurde 1986 entdeckt. Für uns war das der Auslöser dieser ganze Entwicklung, obwohl für das Komitee, wie ich schon sagte, die Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands der wichtige Teil war. Für uns aber war das andere ebenfalls wichtig; wir wären sonst nie so weit gekommen. Die Verwirklichung des Tunnelmagnetowiderstands bei Raumtemperatur; über den Tunnelmagnetowiderstand habe ich kurz gesprochen. In der Tat sollte ich darauf hinweisen, dass der Tunnelmagnetowiderstand wegen dieser enormen Werte von 500 Prozent derzeit in der Technik die Oberhand gewinnt. Es bedeutet einfach, dass der Widerstand bei der einen Methode fünfmal größer ist als bei der anderen. Also die Verwirklichung des Tunnelmagnetowiderstands bei Raumtemperatur, Vorhersage von Spinübertragungseffekten, erste kommerzielle Festplatte mit GMR. Experimentelle Beobachtung von Spinübertragungseffekten. Dazu sollte ich vielleicht noch etwas sagen, denn das ist eine sehr bedeutende Entwicklung, die gegenwärtig in vielen Laboren abläuft und gemessen wird. Mit starken Strömen kann man in diesen Strukturen sozusagen Magnetismus transportieren, denn die Ströme werden spinpolarisiert – in gewisser Weise kann man also sagen, dass der Strom selbst magnetisch wird; er besteht aus magnetisch ausgerichteten Spins, die von einer Schicht zur anderen fließen und die Magnetisierung sozusagen von einer Schicht zur anderen tragen. Das nennt man strominduziertes magnetisches Schalten – ein sehr interessanter Effekt, an dem gegenwärtig viele Labore arbeiten. Wo sind wir...Riesenmagnetowiderstand...ah ja. Wie ich schon sagte, haben wir für den Tunnelmagnetowiderstand diese gewaltigen Werte, und wegen dieser gewaltigen Effekte gewinnen Tunnelmagnetowiderstandssensoren in der Technik jetzt die Oberhand, weshalb wir uns bereits ein wenig vom GMR entfernen, aber nach einer gewissen Zeit werden wir wahrscheinlich wieder darauf zurückkommen. Nun gut, vielleicht lese ich das einfach von oben nach unten vor... die Entwicklung geht weiter, Quanteninformationstechnik, Quantencomputer – all das sind Auswirkungen der hier besprochenen Gesichtspunkte. Kurze Transferzeiten von der Grundlagenforschung zur Anwendung und zum Massengeschäft. Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit.

Peter Grünberg (2008)

From Spinwaves to Giant Magnetoresistance (GMR) and Beyond

Peter Grünberg (2008)

From Spinwaves to Giant Magnetoresistance (GMR) and Beyond

Abstract

Standing spinwaves and surface waves in layered magnetic structures can be used for the detection and quantitative evaluation of interlayer exchange coupling (IEC). Using this method antiferromagnetic IEC has been found in Fe/Cr/Fe layered structures. This was applied to switch the alignment of the magnetizations of the Fe films in an external field from antiparallel to parallel whereby the Giant Magnetoresistance (GMR) effect was discovered. Currently the interest focusses on “Current Induced Magnetic Switching” (CIMS) which can be understood as inverse GMR effect. For all three effects, IEC, GMR and CIMS there are many interesting applications.

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