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Montag, 22.05.2017
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Spin-„Unordnung“ Grundlage für Datenspeicher

„Exchange Bias Effect“-Theorie erstmals experimentell bestätigt

Er wirkt in jedem Magnetspeicher und Leseköpf einer Computerfestplatte: Der so genannte „Exchange Bias Effect“. Doch erst jetzt ist es Forschern gelungen, die Theorien zu diesem Effekt auch experimentell zu bestätigen.
Lesekopf einer Festplatte

Lesekopf einer Festplatte

Effekt Grundlage für Festplattenleseköpfe


Der Exchange Bias Effect (Austauschasymmetrie), der seit rund 50 Jahren bekannt ist, wird erst seit etwa zehn Jahren von vielen Forschergruppen weltweit intensiv erforscht. Grund dafür ist seine Bedeutung für technische Anwendungen: In allen heutigen Leseköpfen von Festplatten wie auch in anderen magnetischen Sensoren wird inzwischen davon Gebrauch gemacht. Der Effekt beruht auf einer Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten über eine gemeinsame Grenzfläche hinweg.

Diese Wechselwirkung führt zu einer charakteristischen Verschiebung der dauerhaften Magnetisierung der Schichten. Der Effekt wird eingesetzt, um ein so genanntes Spin-Ventil schalten zu können. Dieses lässt eine Richtung des Elektronenspins durch, ist für die andere aber gesperrt. Solche Ventile bilden die Grundbausteine des magnetischen Datenspeichers (MRAM).

Quantitative Beschreibung fehlte bisher


"Der Effekt der Austauschasymmetrie zwischen ferro- und antiferromagnetischen Schichten ist physikalisch klar und qualitativ leicht verständlich", erklärt der Physiker Hartmut Zabel von der Ruhr-Universität Bochum. "Viele Theorien sind veröffentlicht worden, die verschiedene Aspekte dieses Effekts erklären. Sie alle haben aber den Nachteil, dass sie den Effekt zwar qualitativ, aber nicht quantitativ beschreiben können." Dies liegt an der Besonderheit der Grenzfläche zwischen den ferro- und antiferromagnetischen Schichten, die dem bloßen Auge und vielen analytischen Methoden verborgen bleibt.


Glasartige Unordnung der Spins


In ihrem Artikel "Quantitative description of exchange bias" beschreiben Florin Radu, Andreas Westphalen, Katharina Theis-Bröhl und Hartmut Zabel nun zum ersten Mal den Exchange Bias Effekt vollständig und mit quantitativer experimenteller Übereinstimmung. Der entscheidende Durchbruch gelang durch Experimente, die Florin Radu mit durchdringender Neutronen- und Synchrotronstrahlung durchführte, und die besonders empfindlich die Grenzflächen untersuchten.

Prinzip des Exchange Bias Effect

Prinzip des Exchange Bias Effect

"Diese Experimente haben überraschenderweise eine hohe Unordnung in der Spinstruktur an der Grenzfläche ergeben", so Zabel. Da diese Unordnung ähnlich der atomaren Unordnung in Gläsern ist, spricht man auch von Spin-Gäsern.
Berücksichtigt man bei der theoretischen Beschreibung das spinglasartige Verhalten an der Grenzfläche zwischen Ferro- und Antiferromagnet, dann wird eine bisher nicht erreichte Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment erreicht.

Als „Top-Paper“ eingestuft


Den Beitrag der RUB- Physiker zu den Grundlagen des "Spin-Ventils" hat jetzt die renommierte Zeitschrift "Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)" mit dem Titel "TOP Paper 2006" geadelt. Die Zeitschrift JCPM wird vom britischen Institute of Physics (IOP) herausgegeben, dem Pendant zur Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Die Auswahl der "top" Veröffentlichungen wurde von den leitenden Herausgebern von JPCM zusammen mit Gutachtern und Mitgliedern des Editorial Boards getroffen. "Weniger als zwei Prozent der Beiträge haben das Prädikat 'TOP Paper' bekommen", freut sich Autor Prof. Dr. Hartmut Zabel, "darauf können wir sehr stolz sein."
(Ruhr-Universität Bochum, 19.04.2007 - NPO)
 
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