Dreidimensionale Bildgebung- erstmalige Einblicke in Magnetfelder

3D-Bilder werden nicht nur in der Medizin erzeugt, etwa mithilfe der Röntgen- oder Kernspinresonanztomographie. Auch Materialwissenschaftler blicken gern ins Innere eines Körpers. Forschern des Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) ist es nun in Kooperation mit der Technischen Fachhochschule Berlin (TFH) erstmals gelungen, Magnetfelder im Inneren von massiven, nicht transparenten Materialien dreidimensional darzustellen. Das berichten Nikolay Kardjilov und Kollegen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Physics, die eine Online-Version als Highlight-Beitrag in dieser Woche vorab veröffentlicht.

Die Forscher der Abteilung Imaging haben dafür die Neutronentomographie genutzt. Neutronen, das sind elektrisch ungeladene Elementarteilchen, besitzen ein so genanntes magnetisches Moment und sind daher besonders geeignet, um Phänomene wie den Mag-netismus zu untersuchen. Sie verhalten sich im Magnetfeld ähnlich wie Kompassnadeln, das heißt, sie führen kleine Kreiselbewegungen um die Achse eines angelegten Magnet-feldes aus. Physiker sprechen vom Neutronenspin. Dieser kann polarisiert werden. Das heißt, alle Kompassnadeln richten sich gleichmäßig zum Magnetfeld aus. Wird eine Probe mit derartigen spinpolarisierten Neutronen bestrahlt, ändert sich der Drehwinkel der kleinen Kreisel, ihre Spinrotation. Die Gruppe um Kardjilov hat dies als Messparameter für die Tomographie-Experimente genutzt. Sie haben Apparaturen entwickelt, so genannte Analysatoren, die nur Neutronen mit einer bestimmten Drehrichtung passieren lassen. Damit wird das Bild erzeugt. Kardjilov erläutert dies im Vergleich zu einer medizinischen CT-Aufnahme: Knochen oder Gewebe lassen beim Bestrahlen mit Röntgenlicht je nach ihrer Dichte die Lichtwellen in unterschiedlicher Intensität passieren. „So ähnlich ist es mit unserer magnetischen Probe, die die Spinrotation der Neutronen ändert“, sagt Nikolay Kardjilov. „Der nachgeschaltete Analysator lässt nur Neutronen mit einem bestimmten Drehspin passieren, dadurch wird der Kontrast erzeugt. Je nachdem, wie die magneti-schen Eigenschaften in der Probe verteilt sind. Wenn man die Probe dabei dreht, erhält man ein 3D-Bild.“

Nikolay Kardjilov hat seit 2005 die Neutronentomographie am HMI aufgebaut, und nun ist seine Gruppe die erste, die die Spinrotation als Messsignal für die Bildgebung verwendet. Normalerweise nutzen Wissenschaftler wie beim Licht die einfache Absorption der Strahlung beziehungsweise die Fähigkeit einer Probe, Strahlung hindurchzulassen. Eine weitere Grundlage für den Erfolg der Experimente waren die Polarisatoren und Analysatoren sowie ortsauflösende Detektoren, die die HMI-Forscher in Eigenentwicklung gebaut haben.

Magnetismus ist eines der zentralen Forschungsfelder am HMI. Für das Verständnis der Hochtemperatursupraleitung ist es zum Beispiel eminent wichtig zu verstehen, wie sich magnetische Flusslinien verteilen und wie man diese Flusslinien im Material festhalten kann. Mit Kardjilovs Experimentaufbau wird es nun unter anderem möglich sein, magnetische Domänen in magnetischen Kristallen dreidimensional zu visualisieren.

Die zwei Bilder zeigen das magnetische Feld eines Dipolmagneten, sichtbar gemacht mithilfe von polarisierten Neutronen.

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Auf dem Bild schwebt der Dipolmagnet über einem gekühlten Supraleiter, ein aus Yttrium- Barium-Kupferoxid (YBCO) bestehender keramischer Stoff.

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Filme (Quelle: HMI, Format: .mov / Laden Sie den Quicktime-Player)

FILM1: Observation of the Meissner effect in a bulk sample by polarised neutrons

A visualisation of changes in the distribution of magnetic field lines in and around a lead cylinder (Ø10 × 30 mm) as it was cooled through its critical temperature, TC = 7.2 K, as visualized with polarised neutrons. As the temperature falls below TC the magnetic field is expelled from the lead due to its superconductivity.


FILM2: Visualisation of the magnetic field produced by a double coil


A comparison between simulated (top) and experimental (bottom) images of the magnetic fields around a pair of coils as the current passed through them was varied, as visualised with polarised neutrons. The coils each had a rectangular cross section (7.5 mm x 21.5 mm), 30 windings (1.23 windings/mm), and were arranged coaxially with a spacing of 20 mm. The simulations are based on a vector application of the Biot-Savart law.


FILM3: Three-dimensional visualisation of trapped magnetic field in a bulk sample


A tomographic reconstruction of trapped magnetic flux (yellow) in a polycrystalline lead cylinder (Ø10 × 30 mm) at a temperature of 7.0 K (TC = 7.2 K). The lead is in a superconducting state and magnetic field lines are partially trapped within the bulk due to grain boundaries and other defects.

Veröffentlichung:

Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Markus Strobl, André Hilger, Wolfgang Treimer, Michael Meissner, Thomas Krist & John Banhart
Three-dimensional imaging of magnetic fields with polarized neutrons
Nature Physics
Published online: 30 March 2008 | doi:10.1038/nphys912
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/abs/nphys912.html