VEKMAG-Messplatz an BESSY II
Schematische Darstellung der VEKMAG-Messstation: Der Vektormagnet befindet sich in der Vakuumkammer (grau), die in einem sechsbeinigen Gerüst aufgehängt ist. Unterhalb des Magneten liegt die Detektorkammer (grün), im Bildvordergrund ist die Depositionskammer (dunkelgrau) zu sehen. Die Strahlqualität wird durch eine Diagnose-Einheit (goldfarbig) kontinuierlich kontrolliert.
© Dr. Tino Noll
Gemeinsam mit dem HZB haben Teams von der Universität Regensburg, der Freien Universität Berlin sowie der Ruhr-Universität Bochum bei BESSY II einen einzigartigen, neuen Messplatz aufgebaut: ein Vektormagnet aus drei senkrechten Helmholtz-Spulen ermöglicht es, lokal an der Probenposition beliebig orientierte Magnetfelder einzustellen. 2015 sollen erste Messungen an magnetischen Materialien, Spinsystemen und nanostrukturierten Proben durchgeführt werden.
„Seit fast sechs Jahren treiben wir dieses Projekt gemeinsam voran“, berichtet HZB-Physiker Dr. Florin Radu. Er koordiniert das Projekt mit den drei Universitäten. An der Freien Universität Berlin wurde die Wachstumskammer für die Proben entworfen. Die Ruhr-Universität Bochum baute die Detektorkammern, und die Universität Regensburg hat das Konzept für die synchrotronstrahlungsbasierte ferromagnetische Resonanz entwickelt.
Schnelle Einstellung der Polarisation
Radu und sein Team sorgten indessen für optimale Experimentierbedingungen an der Beamline: „Wir brauchen einen extrem stabilen Strahl, möchten aber auch sehr rasch die Polarisation des Lichts ändern können“, erklärt er. „Daher haben wir eine Hexapod-Vakuumkammer mit sechs beweglichen Beinen entwickelt, die einen Spiegel trägt. Durch leichte Positionsänderungen der Beine verändern wir die Orientierung des Spiegels und damit die Polarisation des Strahls, und zwar binnen Sekunden, also rund hundertmal schneller als bisher.“ Die Tests zeigen, dass diese Anordnung das Verhältnis von Signal zu Rauschen um das zehnfache verbessert.
Temperaturbereich 1,6 K - 500 K
Der neue Experimentierplatz ermöglicht vielfältige Untersuchungen, insbesondere im weichen Röntgenbereich und bei Temperaturen von 500 Kelvin bis hinab zu 1,6 Kelvin. Dabei dringen die Röntgenstrahlen in die einzelnen Atome ein und regen ihre Außenelektronen an, so dass man magnetische Eigenschaften der einzelnen Elemente unterscheiden kann.
Der neue Messplatz wird auch im internationalen Vergleich einzigartige Messbedingungen für elementspezifische und zeitaufgelöste Messungen der ferromagnetischen und paramagnetischen Resonanz sowie für Spektroskopie- und Streuexperimente bieten. „Sein volles Potenzial wird der VEKMAG aber erst dann entfalten, wenn wir an BESSY II ein neues und innovatives Strahlkonzept mit variabler Pulslänge bei voller Photonenintensität realisiert haben“, so Radu, denn: „Damit können wir dann schnelle Umschaltprozesse von Spins mit besonders hoher Zeitauflösung untersuchen.“
Das Projekt VEKMAG wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt rund vier Mio. Euro finanziert.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.