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Publiziert am 09.10.2007

Physik Nobelpreis 2007

 
... an den Deutschen Peter Grünberg und den Franzosen Albert Fert für die Entdeckung des "Riesenmagnetowiderstands-Effekt" (GMR-Effekt).

Ein Deutscher teilt sich mit einem Franzosen den diesjährigen, mit umgerechnet 1,42 Millionen Euro dotierten Nobelpreis für Physik: Peter Andreas Grünberg und Albert Fert.

Mit dieser Auszeichnung werden die Arbeiten der Preisträger über den Riesenmagnetowiderstands-Effekt - kurz: GMR-Effekt - gewürdigt, einem physikalischen Effeekt, der insbesondere bei der Entwicklung von Computer-Festplatten eine wesentliche Rolle spielte und von beiden Laureaten unabhängig voneinander 1988 entdeckt wurde.

Dank dieses Effekts gelang in den 90er-Jahren der Durchbruch zu Giga-Byte-Festplatten. Peter Grünberg erhielt dafür bereits 1998 den Zukunftspreis des Bundespräsidenten, 2006 den Erfinderpreis der Europäischen Kommission, die Stern-Gerlach-Medaille 2007 sowie den international hoch renommierten Japan Prize 2007. Grünbergs Arbeiten legten den Grundstein für den Bereich Spintronik, der sich den quantenmechanischen Spin der Elektronen für die Mikro- und Nanoelektronik nutzbar macht.

Den GMR-Effekt (englisch: Giant Magnetoresistance) findet man heute in über 90 Prozent der produzierten Festplatten: Er dient zum präzisen Auslesen von Daten. Diese sind auf engstem Raum in winzigen Bereichen unterschiedlicher Magnetisierung gespeichert. Ein Sensor, der den GMR-Effekt nutzt, registriert diese kleinen Unterschiede als große messbare Änderung und arbeitet daher hochempfindlich. Das erkannte auch die Industrie sehr schnell: Bereits 1997 kam der erste GMR-Lesekopf für Computerfestplatten auf den Markt. Der GMR-Effekt bescherte dem Forschungszentrum Jülich Einnahmen in zweistelliger Millionenhöhe. Längst hat der GMR-Effekt in verbesserten Leseköpfen für Festplatten, Videobänder sowie in MP3-Player weltweite Verbreitung gefunden.

GMR-Effekt in Festplatten

Der GMR-Effekt ist eine sehr starke, magnetisch verursachte Änderung des elektrischen Widerstands in metallischen Dünnschichtsystemen, die man als Heterostrukturen bezeichnet.

Dieser Effekt beruht - anders als bei der normalen magnetischen Widerstandsänderung - auf der magnetischen Ordnung der Elektronenspins in einem äußeren magnetischen Feld. Praktisch verwendet man zwei oder mehrere magnetische Schichten, die parallel zueinander stehen, und eine Zwischenschicht, in der sich der Widerstand durch eine entsprechende Präparation ändert. Der Widerstand des Stromes ändert sich in Abhängigkeit von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung in den beiden Schichten und ist am größten bei antiparalleler Magnetisierung der äußeren Schichten und am kleinsten bei paralleler Magnetisierung (siehe Abbildung).

Resultat: Äußerst schwache magnetische Veränderungen erzeugen in einem Riesenmagnetowiderstand sehr große Veränderungen des elektrischen Widerstandes.

Ein solches System ist genau das, was gebraucht wird, um die Daten aus Festplatten auszulesen, wobei magnetisch gespeicherte Information in einen elektrischen Strom umgewandelt werden muss. Daher gingen sehr schnell Wissenschaftler und Techniker daran, den neuen Effekt für einen Lesekopf auszunützen. Bereits 1997 wurde der erste auf dem GMR-Effekt fußende Lesekopf vorgestellt. Diese Konstruktion wurde sehr schnell Stand der Technik und auch alle weiteren Entwicklungen bauen auf den GMR.

Auf der Festplatte liegt die Information gespeichert vor in Form von mikroskopisch kleinen Feldern mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen. Die Information wird abgerufen, indem ein Lesekopf die Festplatte abtastet und magnetische Veränderungen registriert. Je kleiner und dichter mit Information gepackt die Festplatte ist desto kleiner und schwächer werden auch die einzelnen magnetischen Felder. Desto empfindlicher muss damit der benötigte Lesekopf sein. Ein Lesekopf mit GMR-Effekt kann die sehr kleinen magnetischen Veränderungen in genügend messbare Unterschiede beim elektrischen Widerstand umwandeln, und damit in Schwankungen bei dem Strom, der vom Lesekopf ausgesendet wird. Der Strom ist das Ausgangssignal vom Lesekopf, die verschiedenen Werte der Stromstärke stellen Nullen und Einsen dar.

Die Entdeckung des GMR-Effekts war möglich geworden dank in den 1970er Jahren entwickelten neuen Techniken für äußerst dünne Schichten aus verschiedenen Materialien. Zum Gelingen des GMR muss man Schichtstrukturen aufbauen können, die in sich Dicken von nur wenigen Atomen haben. Deshalb kann man die Technik des GMR auch als eine der ersten großen Anwendungen ansehen für die so viel versprechende Nanotechnik.

Stimmen zum Nobelpreis für Physik 2007:

DFG-Präsident gratuliert Peter Grünberg zum Nobelpreis für Physik:
"Auszeichnung zeigt Stärken des Wissenschaftsstandorts Deutschland"

Der Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Professor Matthias Kleiner, hat dem Jülicher Festkörperphysiker Professor Peter Grünberg zum Nobelpreis für Physik gratuliert. "Wir freuen uns sehr, dass Ihre bahnbrechenden Leistungen auf dem Gebiet des Riesen-Magneto-Widerstandes nunmehr die höchste wissenschaftliche Auszeichnung gefunden haben", so Kleiner in seinem Glückwunsch wörtlich.

Der Nobelpreis, so Kleiner weiter, sei immer auch ein Ausweis dafür, wie leistungsfähig ein Wis-senschaftssystem sei. Dass nach Theodor Hänsch, der den Nobelpreis für Physik im Jahre 2005 erhielt, nun erneut ein deutscher Wissenschaftler geehrt werde, belege eindrucksvoll die Qualität von Forschung und Wissenschaft in Deutschland. Mit seinem wissenschaftlichen Werdegang stehe Grünberg auch für die Verbindung von außeruniversitärer mit universitärer Forschung.

Pinkwart: Einfach großartig
Innovationsminister gratuliert Jülicher Wissenschaftler Grünberg zum Nobelpreis

Innovationsminister Prof. Andreas Pinkwart hat dem Jülicher Physiker Peter Grünberg zur Verleihung des Nobelpreises für Physik gratuliert. Die Schwedische Akademie der Wissenschaften gab heute bekannt, dass Peter Grünberg gemeinsam mit seinem Kollegen Albert Fert, Université Paris-Sud, in diesem Jahr die weltweit höchste Auszeichnung für Physiker bekommt. Die feierliche Überreichung findet traditionell am 10. Dezember statt. "Der Preis ist eine großartige Anerkennung der herausragenden wissenschaftlichen Arbeit dieses Ausnahmewissenschaftlers. Forscherpersönlichkeiten wie Peter Grünberg haben nicht nur eine enorme wissenschaftliche Expertise sondern auch das Charisma, um ihre Leidenschaft und Begeisterung für ihr Forschungsthema zu vermitteln und weiterzugeben. Das ist Treibstoff für den Motor Innovationsland NRW", sagte Pinkwart. "Der Preis ist die Krone für jeden Forscher und nicht zu übertreffen. Das der Preis an einen Wissenschaftler geht, der seit Jahrzehnten am Forschungszentrum Jülich arbeitet, ist damit auch ein riesiges Kompliment für das Forschungszentrum und sein Umfeld."

Der Nobelpreis für Physik wird seit 1901 ergeben. Nach Wolfgang Ketterle (2001) und Theodor Wolfgang Hänsch (2005) ist Grünberg der dritte Deutsche der in den letzten sechs Jahren den Nobelpreis bekommt. Als letzter nordrhein-westfälischer Wissenschaftler hatte Professor Reinhard Selten 1994 den Nobelpreis für Wirtschaftswissenschaften erhalten. Grünberg erhält den Preis für seine Arbeit für seinen 1988 entdeckten sogenannten GMR-Effekt, der es ermöglicht, die Speicherkapazität von Festplatten und damit ihre Leistungsfähigkeit zu steigern. Bereits 1972 kam Grünberg zum Forschungszentrum Jülich, er war ab 1984 parallel Privatdozent und später außerplanmäßiger Professor an der Universität Köln. Seit seiner Pensionierung 2004 arbeitet Grünberg als Gast im Forschungszentrum Jülich.

In seiner wissenschaftlichen Laufbahn hat Peter Grünberg bereits mehrfach bedeutende Auszeichnungen bekommen: Bereits 1998 erhielt er den Zukunftspreis des Bundespräsidenten für seine Arbeit zum GMR-Effekt, im letzten Jahr wurde er als "Europäischer Erfinder des Jahres" von der EU-Kommission und dem Europäischen Patentamt ausgezeichnet. 2007 verlieh ihm die Deutsche Physikalische Gesellschaft die angesehene Stern-Gerlach-Medaille, im April erhielt er gemeinsam mit Albert Fert den international hoch renommierten Japan-Preis. Zusammen mit Altert Fert bekam er in diesem Jahr in Israel auch den Wolf-Preis, der in den Naturwissenschaften nach dem Nobelpreis und der Fields-Medaille zu den angesehensten Preisen weltweit gehört.

Helmholtz-Gesellschaft:
Nobelpreis für Physik an Helmholtz-Forscher

Der Nobelpreis für Physik geht an den Festkörperphysiker Prof. Dr. Peter Grünberg vom Helmholtz-Forschungszentrum in Jülich. Grünberg erhält die Auszeichnung zusammen mit seinem französischen Kollegen Albert Fert (Universität Paris-Süd) für die Entdeckung des Riesen-Magnetwiderstands. Beide Wissenschaftler hatten diesen Effekt unabhängig voneinander im Jahr 1988 entdeckt.

"Peter Grünberg ist ein hervorragender Grundlagenforscher und hat ganz entscheidend zum Verständnis komplexer magnetischer Materialien beigetragen. Gleichzeitig hat er schnell erkannt, welchen großen Nutzen seine Entdeckung für die Wirtschaft hat und dafür gesorgt, dass sie schnell in eine heute marktbeherrschende Innovation umgesetzt wird", so Professor Dr. Jürgen Mlynek, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft. Der Riesenmagnetwiderstand ist ein Quanten-Effekt, der in geschichteten Strukturen aus magnetischen Materialien auftritt. Dieser Effekt wird heute in fast jedem Schreib-/Lesekopf für Festplatten genutzt, weil er das präzise Auslesen von extrem dicht gespeicherter Information ermöglicht. Dadurch hat sich die Speicherkapazität von Festplatten seit Mitte der 1990er Jahre sprunghaft über die Giga-Byte-Schwelle gesteigert. Grünberg legte mit seiner Arbeit auch die Grundlagen für das neue Forschungsfeld Spintronik, das den quantenmechanischen Spin der Elektronen für Anwendungen in Mikro- und Nanoelektronik untersucht. "Grünberg stellt die richtigen Fragen. Dass er nun den Nobelpreis erhalten hat, freut mich nicht nur persönlich, sondern zeigt auch, dass die Helmholtz-Gemeinschaft ein geeignetes Arbeitsumfeld für außerordentliche Forscher bietet", so Mlynek.

Peter Grünberg wurde 1939 in Pilsen (jetzt Tschechien) geboren. Nach Studium und Promotion in Darmstadt und einem dreijährigen Forschungsaufenthalt in Kanada arbeitet er seit 1972 als Wissenschaftler beim Forschungszentrum Jülich, wo er auch nach seiner Emeritierung weiter forscht. Für seine Arbeit hat er bereits zahlreiche international renommierte Preise erhalten: 1998 wurde er mit dem Zukunftspreis des Bundespräsidenten ausgezeichnet und 2006 zum "Europäischen Erfinder des Jahres" gekürt. 2007 erhielt er die Stern-Gerlach-Medaille, den israelischen Wolf-Preis und den Japan-Preis in der Kategorie "Innovationen durch Grundlagenforschung", der mit 300.000 Euro dotiert ist.