Peter Grünberg: Am Widerstand gewachsen

Er scheut den öffentlichen Rummel um seine Person. Der aber dürfte in den kommenden Monaten groß werden, denn der Physiker Peter Grünberg aus Jülich teilt sich in diesem Jahr den mit rund 1,1 Millionen Euro dotierten Physik-Nobelpreis mit dem Franzosen Albert Fert. Das verkündete die Königlich-Schwedische Akademie am Dienstag. Unabhängig voneinander haben die beiden Forscher 1988 einen magnetischen Effekt entdeckt, der heute überall in der Speichertechnik genutzt wird. Auf dem „Riesenmagnetwiderstand“ basieren die moderne Festplattenlaufwerke.

Die Physiker hatten den richtigen Riecher für Sensoren – ohne dabei zunächst an eine solche Anwendung in der Computertechnik zu denken. Sie sind Grundlagenforscher par excellence. Wie so oft in der Forschung, stießen sie innerhalb ihres Spezialgebiets lediglich auf ein Problem, das sie nicht verstanden und das sie nicht mehr losließ: die seltsame Verknüpfung von magnetischen und elektrischen Eigenschaften bestimmter Materialien.

Der Magnetismus ist schon für sich genommen ein eigenartiges Naturphänomen. Wenn Forscher die innere Struktur von Materialien wie Eisen betrachten, begegnen sie darin unzähligen kleinen Magneten. Diese winzigen Partikel besitzen ähnlich wie Stabmagnete einen magnetischen Nord- und Südpol: Es sind Elektronen, Bestandteile sämtlicher Atome. Der Magnetismus kommt einerseits durch die Eigendrehung der Elektronen zustande, den Spin, aber auch durch ihre Bewegungen um den Atomkern.

Allerdings sind nicht alle Stoffe magnetisch. Meist heben sich die vielen unterschiedlichen magnetischen Wirkungen der Elektronen nach außen hin gegenseitig auf. Bei Eisen ist das anders. Wenn viele Eisenatome nebeneinander liegen, richten sich die winzigen Kompassnadeln gemeinschaftlich aus.

Die moderne Speichertechnik nutzt den Magnetismus geschickt. Auf der rotierenden Scheibe im Festplattenlaufwerk eines Computers ist eine dünne Schicht aus magnetischem Material aufgebracht. Die Magnetisierungsrichtungen, Nord und Süd, dienen zur Aufzeichnung und zum Auslesen von Informationen im Binärcode. Aus der unterschiedlichen Polung werden einzelne Bits.

Allerdings sollen im Festplattenlaufwerk sehr viel Informationen auf jedem Quadratzentimeter gespeichert werden: viele Gigabyte. Dafür braucht man sehr empfindliche Magnetsensoren als Schreib- und Leseköpfe. Heutzutage sind sie wie Sandwiches aus extrem dünnen Metallschichten aufgebaut.

Grünberg und Fert studierten Ende der 80er Jahre derartige Sandwiches, der eine in Jülich, der andere in Orsay. Sie betrachteten zunächst den einfachsten Fall mit nur drei unterschiedlichen Lagen: zwei Schichten aus magnetischem Material oben und unten, getrennt durch einen unmagnetischen Film. Die Zwischenlage aus Chrom oder Kupfer war nur einige Atomlagen dünn, nur millionstel Millimeter. Daher beeinflussten sich die beiden Magnetschichten oben und unten weiterhin gegenseitig.

Ihr Zusammenspiel änderte sich allerdings je nach Dicke der Zwischenschicht. Mal war die Magnetisierung der oberen und unteren Schicht gleich, ein anderes Mal entgegengesetzt. Und schon ein kleines äußeres Magnetfeld reichte aus, diese Ordnung erneut umzukehren.

Ein solches magnetisches Sandwich ähnelt einem elektronischen Schalter. Mit einem von außen angelegten Magnetfeld kann man zwischen verschiedenen Zuständen hin und her springen. Will man dies in der Computertechnik ausnutzen, muss man jedoch wissen, welchen Status das magnetische Päckchen gerade hat. Und das gelang den beiden Forschern durch eine überraschende Entdeckung:

Ist die Magnetisierung der Schichten gleichgerichtet, so ist der elektrische Widerstand des Sandwichs klein. Die Elektronen können gut hindurchfließen. Bei ungleicher Magnetisierung wächst der Widerstand jedoch stark an. In diesem Fall werden die Elektronen in ihrem Lauf behindert. Wie Grünberg kürzlich bei einem Vortrag in Regensburg erläuterte, erhöht sich der elektrische Widerstand um bis zu 65 Prozent.

Der „Riesenmagnetwiderstand“ eröffnete eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten. Plötzlich war es auf unerwartet einfache Weise möglich, magnetische Datenbits in elektrische Spannungsimpulse umzuwandeln, die sich dann in herkömmlicher Manier in elektronischen Bauteilen weiter verarbeiten lassen. Der Effekt war völlig neu – zehn Jahre später wurde ein Massenprodukt daraus.

Grünberg war sofort klar, dass er eine große Entdeckung gemacht hatte. Überall auf Fachkonferenzen wurde heiß diskutiert, wie sich die Speicherkapazität von modernen Datenträgern erhöhen lässt. Also meldete er ein umfassendes Patent an, das sich als einer der entscheidenden Durchbrüche zu den Gigabyte-Festplatten herausstellte.

Heute wird der Riesenmagnetwiderstand in der gesamten Computerindustrie eingesetzt. Dem Forschungszentrum Jülich hat das Patent Lizenzeinnahmen in zweistelliger Millionenhöhe beschert. Allerdings sind auf dem deutschen Arbeitsmarkt keine Arbeitsplätze dadurch entstanden. Wie so oft haben andere Ländern die Innovation aufgegriffen: zuerst IBM, später auch Toshiba. Schon 1997 brachte IBM einen entsprechenden Lesekopf für Festplattenlaufwerke auf den Markt. Zu einer „Innovationsoffensive“, wie sie die deutsche Politik immer mal wieder propagiert, gehören eben nicht nur Forscher wie Grünberg oder Fert, sondern auch eine innovationsfreudige Industrie. Die gibt es in Deutschland leider nur noch auf wenigen Gebieten.

Mit Grünberg freuen sich vor allem seine Kollegen. Sie haben ihren heimlichen Star längst gebührend gefeiert. Bei der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Regensburg wurde der Forscher mit der höchsten Auszeichnung für deutsche Experimentalphysiker geehrt: der Stern-Gerlach-Medaille. Schon da wurde gemunkelt, dass der Nobelpreis winken könnte.