Hintergrund 

F.A.Z. v. 5.4.2000

Magnetische Materialien als Datenspeicher

Riesenmagnetowiderstand in der Anwendung / Photonische Kristalle steuern Lichtstrahlen / Von Rainer Scharf

Die rasante technische Entwicklung der vergangenen Jahre wäre ohne die physikalische Grundlagenforschung undenkbar. Zahlreiche Effekte haben schon nach kurzer Zeit den Weg in die Anwendung gefunden. Es wurden daraus Verfahren entwickelt, mit denen man neue Materialien herstellen und mit großer Präzision untersuchen kann. Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer und mechanischer Bauteile wird auch die Biotechnologie stark beeinflussen. Diese Erfolge der Physik, die zur Zeit allerdings von einer starken Abnahme der Studentenzahlen überschattet werden, standen im Mittelpunkt einer Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Regensburg.

Ein Beispiel dafür, dass die Grundlagenforschung reiche Früchte getragen hat, ist das Phänomen des Riesenmagnetowiderstandes, der 1986 von Peter Grünberg am Forschungszentrum Jülich entdeckt wurde. Der Effekt nutzt das Zusammenwirken der elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Elektronen in zwei extrem dünnen aufeinander liegenden magnetischen Schichten. Wenn beide Schichten in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind, fließt nur ein geringer elektrischer Strom. Ist ihre Magnetisierung jedoch gleichsinnig gerichtet, fließt ein wesentlich stärkerer Strom. Dann können nämlich diejenigen Elektronen die magnetische Doppelschicht ungehindert passieren, deren Spins in die Magnetisierungsrichtung zeigen. Den Riesenmagnetowiderstand verwendet man bereits in Leseköpfen von Computerfestplatten. Darüber hinaus kann man mit ihm "berührungslos" Winkel messen, wie J. Wecker von Siemens in Erlangen berichtete. Dazu bringt man einen drehbar gelagerten Magneten über die Schichten. Der Magnet verändert die Magnetisierungsrichtung des oberen Films, nicht aber die des unteren. Aus der Änderung des elektrischen Widerstandes der Doppelschicht lässt sich direkt der Drehwinkel des Magneten "ablesen".

Derzeit werden in zahlreichen Forschungslabors extrem schnelle magnetische Datenspeicher, sogenannte MRAMs, entwickelt, die auf dem Effekt des Riesenmagnetowiderstandes beruhen. Anders als bei herkömmlichen Halbleiterspeichern gehen beim MRAM bei einem Stromausfall keine Daten verloren. Jedes seiner Speicherelemente besteht aus zwei aufeinander liegenden magnetischen Schichten. Der Inhalt der einzelnen Zelle hängt davon ab, ob die Schichten gleich- oder gegensinnig magnetisiert sind. Ein erstes Demonstrationsmodell wurde kürzlich von der Firma IBM vorgestellt. Doch sind bis zur Entwicklung eines verwendbaren Prototypen noch beträchtliche Schwierigkeiten zu überwinden. Die MRAMs werden beispielsweise noch nach rund 10 000 Schaltvorgängen instabil und verlieren die gespeicherten Daten.

Eine andere Anwendung fand der vor rund zehn Jahren entdeckte Effekt, dass bestimmte organische Materialien recht hell leuchten, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Mittlerweile wird er zur Entwicklung großflächiger organischer Leuchtdioden genutzt, die dünne Polymerschichten oder Farbstoffe enthalten. Die Dioden leuchten extrem hell und verbrauchen dabei wesentlich weniger Energie als entsprechende Glühbirnen. Wie Georg Wittmann von Siemens in Erlangen berichtete, sollen die Bauteile als gut lesbare Anzeigeelemente zum Beispiel auf intelligente Chipkarten aufgebracht werden. Auch werden sie die herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen voraussichtlich schon bald verdrängen. Farbige Anzeigen und sogar Farbmonitore gibt es schon als Prototypen. Es wird allerdings noch ein paar Jahre dauern, bis Computer- oder Fernsehbildschirme in Form von dünnen, flexiblen Folien auf den Markt kommen.

Mit dünnen Polymerschichten lassen sich auch Laserstrahlen erzeugen. Das berichtete Ulrich Lemmer von der Universität München. Er hatte vor zwei Jahren zusammen mit seinen Kollegen einen Laser gebaut, der aus einer dünnen flexiblen Kunststoffschicht mit gewellter Oberfläche bestand. Als sie Licht einer bestimmter Frequenz von der Seite einstrahlten, wurde es zwischen der Ober- und der Unterseite der Schicht hin und her reflektiert und trat schließlich durch die gewellte Oberfläche als Laserlicht aus. Zwar ist es den Wissenschaftlern noch nicht gelungen, den Kunststofflaser elektrisch anzuregen. Mit einer gitterförmigen Oberfläche konnten sie das Laserlicht aber bereits besser bündeln und dessen Leistung deutlich erhöhen.

Mit Materialien, die eine mikroskopisch feine periodische Struktur besitzen, kann man nicht nur die Ausbreitung sichtbaren Lichts gezielt lenken, sondern diese auch gänzlich unterdrücken. Die so genannten photonischen Kristalle ähneln den elektrischen Halbleitern, in denen sich nur Elektronen bestimmter Energie frei bewegen können. Nach Meinung von Sajeev John von der University of Toronto/Kanada sollten sich deshalb mit photonischen Kristallen Schaltelemente bauen lassen, die die Ausbreitung von Lichtstrahlen steuern können. Fremdatome im Kristall, deren Licht sich nicht ausbreiten kann, werden an der Emission gehindert. Befinden sich allerdings zwei Atome in geringem Abstand voneinander, kann das Licht von einem Atom zum anderen "tunneln".

Bisher ist es jedoch nur gelungen, Licht einer bestimmten Ausbreitungsrichtung in zweidimensionalen photonischen Kristallen zu fangen. Kurt Busch von der Universität Karlsruhe berichtete, dass sich in einer Struktur aus regelmäßig geschichteten winzigen Siliziumröhren der für das Licht verbotenen Wellenlängenbereich allerdings verschieben lässt, wenn man die Temperatur ändert. Die Röhrchen werden dazu mit einem Flüssigkristall benetzt, dessen Brechungsindex stark temperaturabhängig ist.

Mikroskopisch strukturierte Materialien können auch ungewöhnliche mechanische Eigenschaften haben, wie Michael Roukes vom California Institute of Technology in Pasadena berichtete. Er und seine Mitarbeiter haben weniger als ein tausendster Millimeter große Stimmgabeln hergestellt, die mehrere Milliarden Mal in der Sekunde schwingen. Damit erreichen sie Frequenzen, wie man sie für eine schnelle Signalverarbeitung benötigt. Mit anderen "nanomechanischen" Bauelementen haben Roukes und seine Mitarbeiter elektrische Ladungen, magnetische Kräfte und Wärmemengen mit ungewöhnlich hoher Präzision gemessen. Roukes hofft, bald sogar einzelne Wärmequanten, so genannte Phononen, nachweisen zu können. Je mehr Möglichkeiten die Grundlagenforschung zur Verfügung stellt, desto mehr erfolgversprechende Anwendungen können daraus erwachsen.
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