Röntgenstrahlen nehmen Magnete unter die Lupe

Eine neue, in Berlin entwickelte Untersuchungsmethode könnte Einzug in die Lehrbücher finden. Sie macht vor allem kompakte, dicke Materialien und magnetische Materialien zugänglich, die in der Halbleitertechnologie verwendet werden.

Wenn Sergio Valencia vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) mit einem Magnetfeld weiche Röntgenstrahlen ein wenig dreht, interessiert das nicht nur Physiker, sondern auch Hardware-Entwickler der Informationstechnologien. Schließlich lassen sich damit winzige Magnetstrukturen untersuchen, ohne die kaum ein moderner Rechner auskommt. Zunächst werden aber Grundlagenforscher die Methode nutzen, die Sergio Valencia und Andreas Gaupp mit Kollegen aus Deutschland, der Schweiz und Schweden im Fachblatt Physical Review Letters vorstellen, online am 3. Mai (DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.187401).

Die Methode basiert auf einem bekannten Effekt, der auftritt, wenn polarisiertes Licht auf ein Magnetfeld innerhalb eines Feststoffes trifft. Die Lichtebene dreht in diesem Fall ein wenig, Und da Röntgenstrahlen nichts anderes als sehr kurzwelliges Licht sind, werden auch sie von einem Magnetfeld unter bestimmten Umständen gedreht.

Mit der richtigen Messmethode kann man also aus der Drehung der Polarisationsebene des Röntgenlichts auf das magnetische Material schließen. Je kürzer die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist, umso kleinere Strukturen kann man beobachten. Mit weicher Röntgenstrahlung, also sehr kurzwelligem Licht lassen sich daher entsprechend kleine Strukturen untersuchen. Ähnliche Methoden nutzen Physiker schon seit einiger Zeit. In den 1990er Jahren wurde dann mit sichtbarem Licht ein spezieller Effekt gefunden, der nach seinen Entdeckern Schäfer-Hubert-Effekt genannt wird. Ihn konnte Sergio Valencia jetzt auf Röntgenstrahlen ausdehnen, und er beobachtet damit eine Drehung der Polarisationsebene um knapp 0,1 Grad.

Diese minimale Verdrehung eröffnet Physikern eine neue Analysemethode. Anders als bei anderen Verfahren müssen die Röntgenstrahlen das untersuchte Material nicht durchdringen, sondern sie werden reflektiert. Daher lassen sich auch dicke Schichten untersuchen, durch die keine Röntgenstrahlen dringen.

Viele Methoden eignen sich obendrein nur für ferromagnetische Materialien, von denen Eisen das bekannteste ist. Daneben gibt es aber auch anti-ferromagnetische Substanzen wie Nickeloxid, die für die Informationstechnologie sehr interessant sind, sich aber bisher nur mit einer einzigen Methode untersuchen ließen, die mit XMLD für „X-Ray Magnetic Linear Dichroism“ abgekürzt wird. Diese funktioniert mit konstantem Röntgenlicht gut. Schwieriger aber wird es mit Lasern, die Röntgenpulse mit unterschiedlicher Intensität aussenden und die zunehmend verwendet werden.

Vor allem für anti-ferromagnetische Substanzen bietet daher die neue Methode des HZB eine wertvolle Ergänzung, weil sie gegen solche Intensitätsschwankungen weniger empfindlich ist. Obendrein kann man damit in Mischmaterialien magnetische Substanzen wie Eisen, Nickel, Kobalt und viele andere Substanzen einzeln identifizieren und messen. „Eine solche Methode gab es bisher nicht“, freut sich Sergio Valencia. Sie wird wohl bald von vielen Kollegen eingesetzt werden.

IH

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen Doppelschichtsystemen
    Science Highlight
    29.04.2026
    Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen Doppelschichtsystemen
    Spintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
  • Topologische Überraschungen beim Element Kobalt
    Science Highlight
    11.02.2026
    Topologische Überraschungen beim Element Kobalt
    Das Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.
  • BESSY II: Einblick in ultraschnelle Spinprozesse mit Femtoslicing
    Science Highlight
    05.05.2025
    BESSY II: Einblick in ultraschnelle Spinprozesse mit Femtoslicing
    Einem internationalen Team ist es an BESSY II erstmals gelungen, einen besonders schnellen Prozess im Inneren eines magnetischen Schichtsystems, eines Spinventils, aufzuklären: An der Femtoslicing-Beamline von BESSY II konnten sie die ultraschnelle Entmagnetisierung durch spinpolarisierte Stromimpulse beobachten. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von spintronischen Bauelementen für die schnellere und energieeffizientere Verarbeitung und Speicherung von Information. An der Zusammenarbeit waren Teams der Universität Straßburg, des HZB, der Universität Uppsala sowie weiterer Universitäten beteiligt.