Bildgebung mit Neutronen: Magnetische Domänen erstmals in 3-D sichtbar

Die Grenzen der magnetischen Dom&auml;nen k&ouml;nnen am Computer<br />dreidimensional dargestellt werden.<br />

Die Grenzen der magnetischen Domänen können am Computer
dreidimensional dargestellt werden.
© HZB/Manke, Grothausmann

Bisher konnten magnetische Domänen nur zweidimensional abgebildet werden. Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ist es nun gelungen, diese Bereiche im Inneren von magnetischen Stoffen zum ersten Mal dreidimensional darzustellen. Sie publizieren dies in der Zeitschrift Nature Communications.

Obwohl sie in fast jedem magnetischen Material zu finden sind, kann man sie nicht sehen: Magnetische Domänen sind mikroskopisch kleine, magnetisierte Bereiche. Jedes magnetische Material, ist in solche Domänen aufgeteilt. Wissenschaftler nennen sie „Weiss´sche Bezirke“, nach dem Physiker Pierre-Ernest Weiss, der ihre Existenz vor über hundert Jahren theo­retisch vorhergesagt hatte. 1907 erkannte er, dass die magnetischen Momente der Atome innerhalb eines begrenzten Bezirks gleich ausgerichtet sind.

Diese Theorie konnte bislang nur mit zweidimensionalen Bildern und an Materialoberflächen nachverfolgt werden. Dr. Ingo Manke und sein Team am Institut Angewandte Materialforschung des HZB haben gemeinsam mit Kollegen der Bundesanstalt für Materialforschung und dem Paul-Scherrer Institut eine Methode entwickelt, mit der sie die magnetischen Domänen vollständig in ihrer räumlichen Struktur darstellen können – auch im Materialinneren. Dafür wurden am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden spezielle Eisensilizium-Kristalle hergestellt, für deren innere Domänenstruktur die Forscher in der Arbeitsgruppe von Dr. Schäfer bereits Modellvorstellungen entwickelt hatten, deren tatsächliche Existenz nun erstmals nachgewiesen werden konnte.  Damit lösen die Forscher ein Jahrzehnte altes Problem in der Bildgebung. Sie publi­zieren dies in der Zeitschrift Nature Communications (DOI: 10.1038 /ncomms1125).

Die meisten magnetischen Stoffe bestehen aus einem komplexen Netzwerk magnetischer Domänen. Die von den Wissenschaftlern entwickelte Methode nutzt die Bereiche aus, in denen die Bezirke aneinanderstoßen – sogenannte Domänengrenzen. Innerhalb einer Domäne sind alle magnetischen Momente gleich, von Domäne zu Domäne ist die magnetische Ausrichtung aber ver­schieden. An jeder Domänengrenze wech­selt also die Richtung des Magnet­feldes. Diese Änderungen nutzen die Forscher für ihr radiografisches Verfahren, bei dem sie statt Licht Neutronen verwenden.

Magnetische Felder lenken die Neutronen in ihrer Flugrichtung leicht ab, genauso wie Licht in Wasser abgelenkt wird: Einen Gegenstand im Wasser kann man daher nicht direkt erkennen. Das Objekt erscheint ver­zerrt und an einem anderem Ort. In ähnlicher Weise überqueren die Neutronen auf ihrem Weg durch das magnetische Material Domänengrenzen. An diesen werden sie in verschiedene Richtungen abgelenkt.

Die Ablenkung ist allerdings ein sehr schwacher Effekt. Im Neutronen-Radiogramm ist er gewöhnlich nicht sichtbar, weil er von nicht abgelenkten Strahlen überlagert wird. Die Forscher setzten daher mehrere Beu­gungsgitter ein, um die abgelenkten Strahlen zu separieren. Während der Messung drehen sie die Probe und durchleuchten sie aus allen Richtungen. Aus den separierten Strahlen können sie alle Domänenformen berechnen und das Domänen-Netzwerk vollständig abbilden.

Magnetische Domänen sind wichtig, um Materialeigenschaften und physika­lische Naturgesetze zu verstehen. Auch im Alltag spielen sie eine wichtige Rolle: vor allem in Speichermedien wie Festplatten und Ladegeräten, beispiels­weise für Laptops oder Elektrofahrzeuge. Wählt man die Eigenschaften der Domänen so, dass möglichst wenig Strom an den Domänengrenzen verloren geht, werden zum Beispiel Ladegeräte  leistungsfähiger.

Franziska Rott


Das könnte Sie auch interessieren

  • Spintronik: Röntgenmikroskopie an BESSY II kann Domänenwände unterscheiden
    Science Highlight
    28.08.2023
    Spintronik: Röntgenmikroskopie an BESSY II kann Domänenwände unterscheiden
    Magnetische Skyrmionen sind winzige Wirbel aus magnetischen Spin-Texturen. Im Prinzip könnten Materialien mit Skyrmionen als spintronische Bauelemente verwendet werden, zum Beispiel als sehr schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Doch im Moment ist es noch schwierig, Skyrmionen bei Raumtemperatur zu kontrollieren und zu manipulieren. Eine neue Studie an BESSY II analysiert nun die Bildung von Skyrmionen in einem besonders interessanten Material in Echtzeit und mit hoher räumlicher Auflösung: Es handelt sich um ferrimagnetische Dünnschichten aus Dysprosium und Kobalt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Skyrmionentyp klar zu bestimmen.
  • Spintronik an BESSY II: Domänenwände in magnetischen Nanodrähten
    Science Highlight
    02.06.2023
    Spintronik an BESSY II: Domänenwände in magnetischen Nanodrähten
    Magnetische Domänenwände sorgen für elektrischen Widerstand, da es für Elektronenspins schwierig ist, ihrer magnetischen Struktur zu folgen. Dieses Phänomen könnte in spintronischen Bauelementen genutzt werden, bei denen der elektrische Widerstand je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Domänenwand variieren kann. Eine besonders interessante Materialklasse sind Halbmetalle wie La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Sie weisen vollständige Spinpolarisation auf. Allerdings war der Widerstand einer einzelnen Domänenwand in Halbmetallen bisher noch nicht bestimmt worden. Nun hat ein Team aus Spanien, Frankreich und Deutschland eine einzelne Domänenwand auf einem LSMO-Nanodraht erzeugt und Widerstandsänderungen gemessen, die 20mal größer sind als bei normalen Ferromagneten wie Kobalt.
  • Fraktonen als Informationsspeicher: Noch nicht greifbar, aber nah
    Science Highlight
    26.05.2023
    Fraktonen als Informationsspeicher: Noch nicht greifbar, aber nah
    Ein neues Quasiteilchen mit interessanten Eigenschaften ist aufgetaucht – vorerst allerdings nur in theoretischen Modellierungen von Festkörpern mit bestimmten magnetischen Eigenschaften. Anders als erwartet, bringen Quantenfluktuationen das Quasiteilchen jedoch nicht deutlicher zum Vorschein, sondern verschmieren seine Signatur, zeigt nun ein internationales Team am HZB und der Freien Universität Berlin.