Ferromagnetismus: die Physik hinter Festplatte, Band und Degausser

Ferromagnetismus ist die Form von Magnetismus, die jeder aus dem Alltag kennt: Kühlschrankmagnete, Hufeisenmagnete, die Kompassnadel. Ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Nickel, Kobalt und viele ihrer Legierungen lassen sich magnetisieren und behalten diese Magnetisierung, auch wenn das äußere Feld wieder verschwunden ist. Genau diese Eigenschaft nutzen Festplatten, Disketten und Magnetbänder, um Daten zu speichern.

Wie es funktioniert

In einem ferromagnetischen Material richten sich die magnetischen Momente benachbarter Atome gleich aus. Es bilden sich kleine Bereiche mit einheitlicher Magnetisierung, die Weiss-Bezirke oder Domänen. Ohne äußeres Feld zeigen die Domänen in alle Richtungen, nach außen wirkt das Material nicht magnetisch. Legt man ein Feld an, wachsen die Domänen, die in Feldrichtung zeigen, und das Material wird magnetisch.

Drei Begriffe sind für die Datenspeicherung wichtig:

• Remanenz: die Magnetisierung, die nach dem Abschalten des Feldes bleibt. Sie „merkt sich“ das geschriebene Bit.
• Koerzitivkraft: die Feldstärke, die nötig ist, um die Magnetisierung umzukehren. Hartmagnetische Stoffe mit hoher Koerzitivkraft halten Daten stabil; weichmagnetische Stoffe mit niedriger Koerzitivkraft eignen sich für Schreibköpfe und Abschirmungen.
• Curie-Temperatur: Oberhalb dieser Temperatur verliert ein Stoff seine ferromagnetischen Eigenschaften. Für Eisen liegt sie bei etwa 770 °C, für Kobalt bei über 1.100 °C.

Den Zusammenhang zwischen angelegtem Feld und Magnetisierung beschreibt die Hysteresekurve. Ihre Form entscheidet, ob ein Material als Speicherschicht taugt.

Ferromagnetismus in der Festplatte

Die Scheiben einer Festplatte tragen eine dünne hartmagnetische Schicht, heute aus einer Kobaltlegierung, früher aus Eisenoxid. Ein Bit besteht aus einer kleinen Gruppe magnetischer Körner, die gemeinsam in eine Richtung zeigen. Der Schreibkopf erzeugt ein starkes lokales Feld und richtet die Körner aus; der Lesekopf misst das Feld beim Vorbeiflug.

Je kleiner die Körner, desto dichter lassen sich Daten schreiben – aber desto leichter kippen sie durch Wärme von selbst um (superparamagnetischer Effekt). Gegen diese Grenze haben die Hersteller senkrechte Aufzeichnung (PMR), überlappende Spuren (SMR) und Verfahren mit Wärme- oder Mikrowellenunterstützung (HAMR, MAMR) entwickelt.

Warum ein Degausser Daten löscht

Ein Degausser erzeugt ein Feld, das viel stärker ist als die Koerzitivkraft der Speicherschicht. Danach sind alle Domänen ungeordnet, die Daten sind weg – und auch die Servospuren, die die Festplatte zur Positionierung der Köpfe braucht. Die Festplatte ist danach nicht mehr verwendbar. Deshalb nutzen wir den Degausser bei der kostenlosen Festplattenvernichtung vor der Zerlegung. Bei SSDs, USB-Sticks und Speicherkarten wirkt ein Degausser nicht: Flash-Speicher speichert elektrische Ladungen, keine Magnetisierung.

Siehe auch: Festplatte, Magnetbänder.