Physik-Nobelpreisträger hält Vortrag am Wirteltorgymnasium

Professor Grünberg erklärt den von ihm entdeckten GMR-Effekt

Über 200 meist jugendliche Zuhörer waren sehr beeindruckt: Der Nobelpreisträger für Physik 2007, Professor Peter Grünberg aus Jülich, war höchstpersönlich gekommen, um seine wissenschaftliche Entdeckung den Schülerinnen und Schülern des GaW zu erklären.
"Ich freue mich in der Nähe meiner Heimat und vor allem vor so vielen jungen Menschen zu sprechen!" So der Nobelpreisträger am Anfang seines mehr als 11/2-stündigen Vortrags.
Er nahm seine Zuhörer mit auf eine weitgesteckte Reise durch die Welt der Elektronik. Angefangen vom geriebenen Bernstein, der seine Elektrizität durch Versprühen von Funken verrät, bis zum Riesen-Magnet-Widerstandseffekt – Giant-Magneto-Resistance- (= GMR) Effekt und seinen Anwendungen. Übrigens heißt Bernstein auf Griechisch ELEKTRON, wonach also das physikalische Fachgebiet benannt ist, ebenso wie das Ladungsteilchen, das Elektron. "Aus der Schulphysik weiß man, dass fließende Elektronen einen elektrischen Strom bedeuten", erläuterte Prof. Grünberg. Stoßen diese gegen Atome, so werden sie beim Fließen abgebremst, der Physiker sagt "gestreut", was den elektrischen Widerstand des Leiters erklärt. Und genau ähnliche Elektronenstreuungen erfolgen beim GMR-Effekt. Dabei spielt eine wesentliche zusätzliche Eigenschaft der Elektronen die bedeutende Rolle: der Elektronenspin, vorstellbar als Kreiselbewegung des Elektrons und dabei ein magnetisches Moment hervorrufend. Das heißt, ein Elektron wirkt wie ein winzig kleiner Magnet mit Nord- und Süd-Pol. "Der GMR-Effekt tritt an dünnen, dreischichtigen Metallproben auf, wobei die beiden äußeren magnetisiert sind, zum Beispiel Eisen, und die mittlere unmagnetisch ist, zum Beispiel Chrom", zeigte der Physiker anhand einer Vielzahl von Projektionsfolien auf. Dabei sind die Materialschichten nur einige wenige Nanometer dünn. Sind die beiden äußeren Schichten in gleicher Richtung magnetisiert, so erfahren die Elektronen aufgrund ihrer Spinausrichtung nur einen relativ geringen Widerstand. Dieser erhöht sich jedoch deutlich, wenn die beiden Magnetisierungen antiparallel zueinander stehen. Dann werden die Elektronen viel stärker gestreut, also in ihrem Fluss gehemmt, der Widerstand erhöht sich. Genau das ist der GMR-Effekt.
"1988 haben wir diesen Effekt zum ersten Mal gemessen. Uns war klar, dass dieses etwas Besonderes darstellte", berichtet Prof. Grünberg. Fast zeitgleich haben Physiker um Professor Fert an einem Pariser Institut denselben Effekt auf etwas andere Weise gefunden, weshalb der Nobelpreis geteilt wurde.
Verändert man nun die Magnetisierung einer der beiden äußeren Schichten durch ein Magnetfeld, so ändert sich der Widerstand der Probe: man erhält einen Magnetfeldsensor. Damit lassen sich magnetisch gespeicherte Informationen auslesen wie zum Beispiel auf einer Festplatte.
Nach einer etwa 10-jährigen Forschungsphase - vor allem bei IBM - wurde diese Entdeckung dann zur Marktreife weiterentwickelt. Fast jeder, der heute einen Computer, mp3-Player oder dergleichen mit einer Festplatte benutzt, wendet damit den GMR-Effekt an. Nur so sind die riesigen Kapazitäten von mittlerweile mehr als 1 TerraByte zu bewerkstelligen, denn die GMR-Sensoren können kleinste Magnetisierungsunterschiede sehr schnell und sicher auslesen.
"Wie kommt man darauf, solche Dinge zu erforschen?" war eine Frage zum Schluss der Veranstaltung. Für einen Grundlagenforscher wie ihn seien "schöne" Ergebnisse das Ziel, das heißt klar hervortretende Phänomene, die man auch theoretisch verstehen könne. Wenn dabei solche bedeutende Entdeckungen gemacht würden, umso besser. Das könne man nicht von vornherein planen.
Ein kräftiger, langer Applaus verabschiedete den Nobelpreisträger. Vielleicht ist ein Funken des Forschergeistes dieses beeindruckenden Physikers auf einen der jungen Zuhörer übergesprungen. Interessante Fragestellungen gäbe es genügend.

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