IBMs GMR-Lesekopf ließ Festplatten in Laptops und Taschenplayer schrumpfen

In den späten 1980er-Jahren stieß die Festplattenindustrie an eine Wand, die sie sich selbst gebaut hatte: Je kleiner die magnetische Domäne, desto schwächer ihr Feld, und der Standard-Lesekopf – die anisotrope Magnetoresistenz, bekannt seit Lord Kelvin sie 1857 maß – stieß an die Grenzen ihrer Empfindlichkeit. 1988 brach die Wand zweimal: Albert Fert in Orsay und Peter Grünberg in Jülich entdeckten unabhängig voneinander den Riesenmagnetowiderstand, bei dem sich der Widerstand in geschichteten Eisen-Chrom-Strukturen unter einem schwachen Feld weit stärker ändert als bei jedem bekannten Effekt.

Um den Effekt in ein Produkt zu verwandeln, waren zwei weitere Schritte nötig, beide von IBM vorangetrieben. Zuerst das Spinventil: eine magnetische Schicht fixiert, eine frei, sodass beim Abtasten einer Platte die freie Schicht zwischen parallel und antiparallel umschaltet und jede Domäne in einen sauberen hohen oder niedrigen Strom verwandelt – Binärdaten, direkt aus dem Widerstand gelesen. Zweitens die Fertigung: Epitaxie, die Methode beider Entdecker, war zu langsam und zu teuer für den Maßstab. Stuart Parkins Gruppe bei IBM zeigte, dass der GMR-Effekt auch in Schichten überlebt, die durch Sputtern hergestellt werden, ein billiges industrielles Verfahren – Perfektion war nie erforderlich.

Der erste kommerzielle GMR-Lesekopf wurde 1997 ausgeliefert, und wie Ferts Nobelvorlesung festhält, ersetzten GMR-Köpfe im selben Jahr die AMR-Sensoren; die Nobel-Informationsseite vermerkt, dass die neue Technologie bald darauf zum Standard wurde. Der Gewinn war die Fortsetzung des exponentiellen Laufs der Festplatte: Terabyte-Laufwerke für den Heimgebrauch, Platten klein genug für Laptops und Taschen-Musikplayer. Die Nachfolgetechnologie, der Tunnelmagnetowiderstand, steckt heute in den neuesten Köpfen – und Fert und Grünberg teilten sich 2007 den Nobelpreis für Physik für den Effekt, der dem allen zugrunde liegt.

Bits mit Elektronenspin lesen, nicht mit induziertem Strom

Die Lesempfindlichkeit war die entscheidende Einschränkung der Flächendichte, und GMR vervielfachte sie im Labor um eine Größenordnung gegenüber AMR – die Physik passte genau zum Engpass.

Die Spinventil-Struktur verwandelt die Richtung eines Feldes in ein sauberes Zweipegel-Signal, ohne analoge Feinpositionierung – der Effekt ist von Natur aus digitalfreundlich.

Sputtern beseitigte die Fertigungshürde: Der Effekt hing nicht von perfekten epitaktischen Schichten ab, sodass Köpfe im industriellen Maßstab hergestellt werden konnten.

Der Gewinn verstärkt sich durch die eigene Ökonomie der Festplatte: Jeder Zugewinn an Flächendichte senkt die Kosten pro Gigabyte, und genau das schuf den Markt für Speicher in tragbaren Geräten.

Eine Entdeckung wird erst dann zum Produkt, wenn jemand den billigen Weg findet, sie herzustellen. Sputtern zeigte, dass der Effekt unvollkommene Schichten übersteht – die Fertigungsabkürzung entschied, was ausgeliefert wurde.

GMR-Leseköpfe wurden innerhalb von ein paar Jahren nach 1997 zum Industriestandard und trugen den Dichteanstieg der Festplatte durch die Terabyte-Ära, eine Entwicklung, die die Nobelstiftung mit dem Schrumpfen von Festplatten in Laptops und Taschendevices verbindet. TMR-Köpfe – dieselbe Physik mit einer isolierenden Zwischenschicht – verdrängten GMR in der neuesten Generation. Fert und Grünberg teilten sich 2007 den Nobelpreis für Physik, und die IBM-Materialarbeit, die den Effekt industrialisierte, legte den Grundstein für das breitere Feld der Spintronik, einschließlich magnetischer Tunnelübergänge und MRAM.