Giant magnetoresistance is een reuzenstap in de ontwikkeling van het lezen van harde schijven en cassettebandjes. De belangstelling voor de oorzaken van dit effect is dan ook groot.
Dr.ir. Kees Schep onderzocht magnetische multilagen, en kwam met andere bevindingen dan zijn voorgangers.
De volgende generatie harde schijven heeft zo’n grote opslagcapaciteit, dat het snel uitlezen van de data een probleem wordt. Het effect dat wordt aangeduid met de term giant magnetoresistance (GMR), ofwel reuzenmagnetoweerstand, kan hier soelaas bieden.
GMR treedt op bij magnetische multilagen, zeer dunne laagjes van twee of meer verschillende materialen. Hierin treden nieuwe fysische verschijnselen op. ,,Als door één magnetische laag stroom loopt en het magneetveld loodrecht op de stroomrichting wordt gezet, zakt de weerstand van het materiaal slechts enkele procenten”, vertelt dr.ir. Kees Schep. ,,Bij een multilaag in een magnetisch veld kan de weerstandsreductie wel de helft van de oorspronkelijke waarde bedragen: een reuzengroot magnetoweerstandseffect dus.”
Schep is na zijn studie technische natuurkunde in 1993 assistent in opleiding geworden om onderzoek te verrichten naar de oorzaken van het GMR-effect. Hij deed dat aan de TU in Delft en bij het Natuurkundig Laboratorium van Philips in Eindhoven. Enkele weken geleden promoveerde hij op de magnetische lagen.
,,Sinds de ontdekking in 1988 is er grote belangstelling voor het verschijnsel, omdat de toepassingsmogelijkheden op industrieel gebied zeer interessant zijn. Het GMR-effect is heel gevoelig. De grote weerstandsdaling is vrij gemakkelijk te meten. En als je de GMR-waarde weet, kun je het magneetveld bepalen. De data-opslag op harde schijven geschiedt in termen van kleine magneetjes. Met de GMR kun je nu lezen, eigenlijk meten, of een stuk informatie omhoog of omlaag staat: staat er een 1 of een 0?”
IBM is nu bezig met de eerste prototypes van computers die het GMR-effect benutten. Ook voor navigatiesystemen kan GMR worden ingezet, waarbij het elektrisch kompas in de auto met behulp van het aardmagnetisch veld kan bepalen in welke richting de auto staat.
Spin
Schep was voor zijn promotieonderzoek geïnteresseerd in het wetenschappelijke verhaal achter GMR: waar komt het effect vandaan? Daarbij deed hij theoretisch onderzoek, met computermodellen, aan de elektrische geleiding in metallische magnetische multilagen.
,,Een eenvoudige verklaring van het GMR-effect ligt in het verschil in weerstand voor elektronen met tegenovergestelde spinrichting. Als dit kleine magnetische moment van een elektron parallel is aan de richting van het magneetveld van het materiaal, ondervindt het een lagere weerstand dan een elektron met een zogenaamde negatieve spinrichting.” In een materiaal zitten meer elektronen met eenpositieve spinrichting, dan met een negatieve. De eerste soort wordt daarom ook meerderheidselektronen en de tweede soort minderheidselektronen genoemd.
,,In een multilaag beweegt een elektron door meerdere lagen en ondervindt daardoor verschillende weerstanden. Als er geen extern magnetisch veld is, staan de magnetisaties van de lagen afwisselend omhoog en omlaag. Dit wordt een anti-parallelle configuratie genoemd. De elektronen met verschillende spinrichtingen ondervinden dan gemiddeld toch dezelfde weerstand. Door een magnetisch veld kunnen de magnetisaties als kleine kompasnaalden in één richting geschakeld worden, waardoor de parallelle configuratie ontstaat. Dan is de gemiddelde weerstand voor de twee soorten elektronen verschillend. De meerderheidselektronen zorgen voor een soort kortsluiting waardoor de totale weerstand daalt en het magnetoweerstandseffect optreedt”, aldus Schep.
Schoon
Er worden twee mogelijke redenen aangevoerd voor het verschil in weerstand van de meer- en de minderheidselektronen. Zo kan de elektronische structuur bepalend zijn, waarbij het gaat om de hoeveelheid elektronen, hun snelheid en hun richting. Het meeste onderzoek richtte zich tot dusver echter op de verstrooiing van elektronen door onzuiverheden in het materiaal. Hierbij zijn de frequentie van de botsingen en hun invloed op de richting van het elektron van belang.
,,Ik heb voorspellingen gedaan over wat er gebeurt als het materiaal perfect schoon is, de elektronische structuur van de multilaag. Daarvoor was de combinatie Philips en TU belangrijk. Bij Philips is veel kennis aanwezig over elektronische structuren, die gemodelleerd is in programmatuur. Deze computerprogramma’s paste ik toe op de TU-kennis over elektrische geleiding.”
Schep rekende onder andere aan kobalt-kopermultilagen, waarbij de afzonderlijke lagen vijf atomen dik waren. De berekeningen hebben geresulteerd in zogenaamde Fermi-oppervlakken. Deze figuren bevatten informatie over de elektronische structuur. ,,Het oppervlak dat je ziet bij een Fermi-oppervlak, is geleidend. Hoe zwarter de figuur, hoe beter de geleiding. De Fermi-oppervlakken voor een anti-parallelle configuratie zijn hetzelfde voor zowel de meer- als de minderheidselektronen. Wanneer de magneetrichting in elke laag gelijk is, is het Fermi-oppervlak voor de meerderheidselektronen veel groter dan voor de minderheidselektronen. De geleiding is dan 120 procent groter dan de oorspronkelijke waarde.”
Bij het bestaand onderzoek naar de effecten van onzuiverheden in de multilaag, werden ook waarden van zo’n 120 procent waargenomen. Schep: ,,De onderzoekers rekenden die weerstandsdaling volledig toe aan de onzuiverheden. Dat is dus onterecht: de elektronische structuur is ook een veroorzaker. De verstrooiing is eigenlijk niet zo dominant als tot nu toe werd gedacht.”
Aan de TU wordt nu gemeten hoe de voorspellingen van Schep in de praktijk uitpakken. ,,Omdat mijn berekeningen gelden voor perfect schone materialen valt dat niet mee.”
Schep heeft daarom ook nog de onzuiverheden gemodelleerd. Daarbij maakte hij onderscheid tussen vervuiling in het bulkmateriaal en verontreinigingen aan de grensvlakken. Tot nu toe is alleen het effect van de vervuiling in het bulkmateriaal berekend. Rest nog de verontreiniging aan grensvlakken, die volgens hem zeker optreedt.
Maar daar gaat Schep zich niet meer zelf mee bezig houden. ,,Er is geld voor een postdoc. Ik ga na mijn promotie met frisse zin iets anders doen bij Philips.”
,
Giant magnetoresistance is een reuzenstap in de ontwikkeling van het lezen van harde schijven en cassettebandjes. De belangstelling voor de oorzaken van dit effect is dan ook groot. Dr.ir. Kees Schep onderzocht magnetische multilagen, en kwam met andere bevindingen dan zijn voorgangers.
De volgende generatie harde schijven heeft zo’n grote opslagcapaciteit, dat het snel uitlezen van de data een probleem wordt. Het effect dat wordt aangeduid met de term giant magnetoresistance (GMR), ofwel reuzenmagnetoweerstand, kan hier soelaas bieden.
GMR treedt op bij magnetische multilagen, zeer dunne laagjes van twee of meer verschillende materialen. Hierin treden nieuwe fysische verschijnselen op. ,,Als door één magnetische laag stroom loopt en het magneetveld loodrecht op de stroomrichting wordt gezet, zakt de weerstand van het materiaal slechts enkele procenten”, vertelt dr.ir. Kees Schep. ,,Bij een multilaag in een magnetisch veld kan de weerstandsreductie wel de helft van de oorspronkelijke waarde bedragen: een reuzengroot magnetoweerstandseffect dus.”
Schep is na zijn studie technische natuurkunde in 1993 assistent in opleiding geworden om onderzoek te verrichten naar de oorzaken van het GMR-effect. Hij deed dat aan de TU in Delft en bij het Natuurkundig Laboratorium van Philips in Eindhoven. Enkele weken geleden promoveerde hij op de magnetische lagen.
,,Sinds de ontdekking in 1988 is er grote belangstelling voor het verschijnsel, omdat de toepassingsmogelijkheden op industrieel gebied zeer interessant zijn. Het GMR-effect is heel gevoelig. De grote weerstandsdaling is vrij gemakkelijk te meten. En als je de GMR-waarde weet, kun je het magneetveld bepalen. De data-opslag op harde schijven geschiedt in termen van kleine magneetjes. Met de GMR kun je nu lezen, eigenlijk meten, of een stuk informatie omhoog of omlaag staat: staat er een 1 of een 0?”
IBM is nu bezig met de eerste prototypes van computers die het GMR-effect benutten. Ook voor navigatiesystemen kan GMR worden ingezet, waarbij het elektrisch kompas in de auto met behulp van het aardmagnetisch veld kan bepalen in welke richting de auto staat.
Spin
Schep was voor zijn promotieonderzoek geïnteresseerd in het wetenschappelijke verhaal achter GMR: waar komt het effect vandaan? Daarbij deed hij theoretisch onderzoek, met computermodellen, aan de elektrische geleiding in metallische magnetische multilagen.
,,Een eenvoudige verklaring van het GMR-effect ligt in het verschil in weerstand voor elektronen met tegenovergestelde spinrichting. Als dit kleine magnetische moment van een elektron parallel is aan de richting van het magneetveld van het materiaal, ondervindt het een lagere weerstand dan een elektron met een zogenaamde negatieve spinrichting.” In een materiaal zitten meer elektronen met eenpositieve spinrichting, dan met een negatieve. De eerste soort wordt daarom ook meerderheidselektronen en de tweede soort minderheidselektronen genoemd.
,,In een multilaag beweegt een elektron door meerdere lagen en ondervindt daardoor verschillende weerstanden. Als er geen extern magnetisch veld is, staan de magnetisaties van de lagen afwisselend omhoog en omlaag. Dit wordt een anti-parallelle configuratie genoemd. De elektronen met verschillende spinrichtingen ondervinden dan gemiddeld toch dezelfde weerstand. Door een magnetisch veld kunnen de magnetisaties als kleine kompasnaalden in één richting geschakeld worden, waardoor de parallelle configuratie ontstaat. Dan is de gemiddelde weerstand voor de twee soorten elektronen verschillend. De meerderheidselektronen zorgen voor een soort kortsluiting waardoor de totale weerstand daalt en het magnetoweerstandseffect optreedt”, aldus Schep.
Schoon
Er worden twee mogelijke redenen aangevoerd voor het verschil in weerstand van de meer- en de minderheidselektronen. Zo kan de elektronische structuur bepalend zijn, waarbij het gaat om de hoeveelheid elektronen, hun snelheid en hun richting. Het meeste onderzoek richtte zich tot dusver echter op de verstrooiing van elektronen door onzuiverheden in het materiaal. Hierbij zijn de frequentie van de botsingen en hun invloed op de richting van het elektron van belang.
,,Ik heb voorspellingen gedaan over wat er gebeurt als het materiaal perfect schoon is, de elektronische structuur van de multilaag. Daarvoor was de combinatie Philips en TU belangrijk. Bij Philips is veel kennis aanwezig over elektronische structuren, die gemodelleerd is in programmatuur. Deze computerprogramma’s paste ik toe op de TU-kennis over elektrische geleiding.”
Schep rekende onder andere aan kobalt-kopermultilagen, waarbij de afzonderlijke lagen vijf atomen dik waren. De berekeningen hebben geresulteerd in zogenaamde Fermi-oppervlakken. Deze figuren bevatten informatie over de elektronische structuur. ,,Het oppervlak dat je ziet bij een Fermi-oppervlak, is geleidend. Hoe zwarter de figuur, hoe beter de geleiding. De Fermi-oppervlakken voor een anti-parallelle configuratie zijn hetzelfde voor zowel de meer- als de minderheidselektronen. Wanneer de magneetrichting in elke laag gelijk is, is het Fermi-oppervlak voor de meerderheidselektronen veel groter dan voor de minderheidselektronen. De geleiding is dan 120 procent groter dan de oorspronkelijke waarde.”
Bij het bestaand onderzoek naar de effecten van onzuiverheden in de multilaag, werden ook waarden van zo’n 120 procent waargenomen. Schep: ,,De onderzoekers rekenden die weerstandsdaling volledig toe aan de onzuiverheden. Dat is dus onterecht: de elektronische structuur is ook een veroorzaker. De verstrooiing is eigenlijk niet zo dominant als tot nu toe werd gedacht.”
Aan de TU wordt nu gemeten hoe de voorspellingen van Schep in de praktijk uitpakken. ,,Omdat mijn berekeningen gelden voor perfect schone materialen valt dat niet mee.”
Schep heeft daarom ook nog de onzuiverheden gemodelleerd. Daarbij maakte hij onderscheid tussen vervuiling in het bulkmateriaal en verontreinigingen aan de grensvlakken. Tot nu toe is alleen het effect van de vervuiling in het bulkmateriaal berekend. Rest nog de verontreiniging aan grensvlakken, die volgens hem zeker optreedt.
Maar daar gaat Schep zich niet meer zelf mee bezig houden. ,,Er is geld voor een postdoc. Ik ga na mijn promotie met frisse zin iets anders doen bij Philips.”
Giant magnetoresistance is een reuzenstap in de ontwikkeling van het lezen van harde schijven en cassettebandjes. De belangstelling voor de oorzaken van dit effect is dan ook groot. Dr.ir. Kees Schep onderzocht magnetische multilagen, en kwam met andere bevindingen dan zijn voorgangers.
De volgende generatie harde schijven heeft zo’n grote opslagcapaciteit, dat het snel uitlezen van de data een probleem wordt. Het effect dat wordt aangeduid met de term giant magnetoresistance (GMR), ofwel reuzenmagnetoweerstand, kan hier soelaas bieden.
GMR treedt op bij magnetische multilagen, zeer dunne laagjes van twee of meer verschillende materialen. Hierin treden nieuwe fysische verschijnselen op. ,,Als door één magnetische laag stroom loopt en het magneetveld loodrecht op de stroomrichting wordt gezet, zakt de weerstand van het materiaal slechts enkele procenten”, vertelt dr.ir. Kees Schep. ,,Bij een multilaag in een magnetisch veld kan de weerstandsreductie wel de helft van de oorspronkelijke waarde bedragen: een reuzengroot magnetoweerstandseffect dus.”
Schep is na zijn studie technische natuurkunde in 1993 assistent in opleiding geworden om onderzoek te verrichten naar de oorzaken van het GMR-effect. Hij deed dat aan de TU in Delft en bij het Natuurkundig Laboratorium van Philips in Eindhoven. Enkele weken geleden promoveerde hij op de magnetische lagen.
,,Sinds de ontdekking in 1988 is er grote belangstelling voor het verschijnsel, omdat de toepassingsmogelijkheden op industrieel gebied zeer interessant zijn. Het GMR-effect is heel gevoelig. De grote weerstandsdaling is vrij gemakkelijk te meten. En als je de GMR-waarde weet, kun je het magneetveld bepalen. De data-opslag op harde schijven geschiedt in termen van kleine magneetjes. Met de GMR kun je nu lezen, eigenlijk meten, of een stuk informatie omhoog of omlaag staat: staat er een 1 of een 0?”
IBM is nu bezig met de eerste prototypes van computers die het GMR-effect benutten. Ook voor navigatiesystemen kan GMR worden ingezet, waarbij het elektrisch kompas in de auto met behulp van het aardmagnetisch veld kan bepalen in welke richting de auto staat.
Spin
Schep was voor zijn promotieonderzoek geïnteresseerd in het wetenschappelijke verhaal achter GMR: waar komt het effect vandaan? Daarbij deed hij theoretisch onderzoek, met computermodellen, aan de elektrische geleiding in metallische magnetische multilagen.
,,Een eenvoudige verklaring van het GMR-effect ligt in het verschil in weerstand voor elektronen met tegenovergestelde spinrichting. Als dit kleine magnetische moment van een elektron parallel is aan de richting van het magneetveld van het materiaal, ondervindt het een lagere weerstand dan een elektron met een zogenaamde negatieve spinrichting.” In een materiaal zitten meer elektronen met eenpositieve spinrichting, dan met een negatieve. De eerste soort wordt daarom ook meerderheidselektronen en de tweede soort minderheidselektronen genoemd.
,,In een multilaag beweegt een elektron door meerdere lagen en ondervindt daardoor verschillende weerstanden. Als er geen extern magnetisch veld is, staan de magnetisaties van de lagen afwisselend omhoog en omlaag. Dit wordt een anti-parallelle configuratie genoemd. De elektronen met verschillende spinrichtingen ondervinden dan gemiddeld toch dezelfde weerstand. Door een magnetisch veld kunnen de magnetisaties als kleine kompasnaalden in één richting geschakeld worden, waardoor de parallelle configuratie ontstaat. Dan is de gemiddelde weerstand voor de twee soorten elektronen verschillend. De meerderheidselektronen zorgen voor een soort kortsluiting waardoor de totale weerstand daalt en het magnetoweerstandseffect optreedt”, aldus Schep.
Schoon
Er worden twee mogelijke redenen aangevoerd voor het verschil in weerstand van de meer- en de minderheidselektronen. Zo kan de elektronische structuur bepalend zijn, waarbij het gaat om de hoeveelheid elektronen, hun snelheid en hun richting. Het meeste onderzoek richtte zich tot dusver echter op de verstrooiing van elektronen door onzuiverheden in het materiaal. Hierbij zijn de frequentie van de botsingen en hun invloed op de richting van het elektron van belang.
,,Ik heb voorspellingen gedaan over wat er gebeurt als het materiaal perfect schoon is, de elektronische structuur van de multilaag. Daarvoor was de combinatie Philips en TU belangrijk. Bij Philips is veel kennis aanwezig over elektronische structuren, die gemodelleerd is in programmatuur. Deze computerprogramma’s paste ik toe op de TU-kennis over elektrische geleiding.”
Schep rekende onder andere aan kobalt-kopermultilagen, waarbij de afzonderlijke lagen vijf atomen dik waren. De berekeningen hebben geresulteerd in zogenaamde Fermi-oppervlakken. Deze figuren bevatten informatie over de elektronische structuur. ,,Het oppervlak dat je ziet bij een Fermi-oppervlak, is geleidend. Hoe zwarter de figuur, hoe beter de geleiding. De Fermi-oppervlakken voor een anti-parallelle configuratie zijn hetzelfde voor zowel de meer- als de minderheidselektronen. Wanneer de magneetrichting in elke laag gelijk is, is het Fermi-oppervlak voor de meerderheidselektronen veel groter dan voor de minderheidselektronen. De geleiding is dan 120 procent groter dan de oorspronkelijke waarde.”
Bij het bestaand onderzoek naar de effecten van onzuiverheden in de multilaag, werden ook waarden van zo’n 120 procent waargenomen. Schep: ,,De onderzoekers rekenden die weerstandsdaling volledig toe aan de onzuiverheden. Dat is dus onterecht: de elektronische structuur is ook een veroorzaker. De verstrooiing is eigenlijk niet zo dominant als tot nu toe werd gedacht.”
Aan de TU wordt nu gemeten hoe de voorspellingen van Schep in de praktijk uitpakken. ,,Omdat mijn berekeningen gelden voor perfect schone materialen valt dat niet mee.”
Schep heeft daarom ook nog de onzuiverheden gemodelleerd. Daarbij maakte hij onderscheid tussen vervuiling in het bulkmateriaal en verontreinigingen aan de grensvlakken. Tot nu toe is alleen het effect van de vervuiling in het bulkmateriaal berekend. Rest nog de verontreiniging aan grensvlakken, die volgens hem zeker optreedt.
Maar daar gaat Schep zich niet meer zelf mee bezig houden. ,,Er is geld voor een postdoc. Ik ga na mijn promotie met frisse zin iets anders doen bij Philips.”
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.