Neues Verfahren ermöglicht 3D-Auslesung von magnetischen Mustern
Links ist die durchleuchtete Probe zu sehen, rechts die Magnetisierungsdomänen (rot-blaue Muster). Die Probe ist eine 20 Nanometer dicke Schicht, die zu einer Röhre mit zwei Windungen aufgewickelt wurde. Die Röhre besitzt einen Durchmesser von 5 Mikrometern und eine Höhe von 50 Mikrometern. © F. Kronast/HZB
Eine internationale Kooperation hat es geschafft, mit Synchrotronlicht komplexe Magnetisierungsmuster in gewickelten magnetischen Schichten dreidimensional auszulesen. Dieses Verfahren könnte interessant sein, um hochempfindliche Sensoren für Magnetfelder zu entwickeln, beispielsweise für die medizinische Diagnostik. Die Ergebnisse sind in Nature Communications publiziert.
Feine Strukturen im Inneren von Materialien und biologischen Proben lassen sich heute mit Röntgentomographie gut ermitteln: Dabei werden Schicht für Schicht Bilder aufgenommen und am Computer zu einer dreidimensionalen Abbildung zusammengesetzt. Um aber auch magnetische Strukturen im Inneren von Proben zu erfassen, gab es bislang noch keine vergleichbare Methode. Nun haben Teams aus dem HZB und dem Institut für Festkörperphysik in Dresden zusammen mit Partnern aus kalifornischen Forschungseinrichtungen (1) ein Verfahren entwickelt, mit dem dies möglich ist.
Aufgerollte magnetische Schichten untersucht
Sie untersuchten dafür Proben aus extrem dünnen magnetischen Schichten (Nickel oder Kobalt-Palladium), die zu Röhren mit etwa zwei Windungen aufgewickelt wurden. Um ein 3D Abbild der Magnetisierung in den Röhren zu erhalten, wurden die Proben mit zirkular polarisiertem Röntgenlicht durchleuchtet. Bei den Aufnahmen am Röntgenmikroskop an der Advanced Light Source und an der XPEEM-Beamline von BESSY II wurden die Proben für jede neue Aufnahme etwas gedreht, sodass eine Reihe von 2D-Aufnahmen entstanden: „Das polarisierte Licht hat die magnetischen Schichten aus unterschiedlichen Winkeln durchdrungen: Im XPEEM konnten wir dabei nicht nur die magnetischen Strukturen an der Oberfläche messen, sondern auch durch den „Schattenwurf“ noch Informationen gewinnen“, erklärt Florian Kronast, der am HZB für die XPEEM-Beamline verantwortlich ist.
3D-Rekonstruktion der magnetischen Strukturen
Im Endergebnis gelang es den Physikern, die magnetischen Strukturen am Computer dreidimensional zu rekonstruieren.
Dabei konnten sie in diesen Proben Strukturen von 75 Nanometern abbilden. „Kleinere magnetische Strukturen gab es in diesen Proben einfach nicht, die mögliche Ortsauflösung dieser Methode liegt jedoch bei unter 20 Nanometern“, sagt Florian Kronast. Der entscheidende Punkt ist jedoch, dass bislang für die Abbildung von magnetischen Domänen im Nanometer-Bereich in dreidimensionalen Objekten nur die Elektronenholographie in Frage kam, die eine sehr komplizierte Probenpräparation erfordert und die Magnetisierung nur indirekt über die resultierende Magnetfeldverteilung ermitteln kann. „Unser Verfahren dagegen ermöglicht nun eine direktere Kartierung der Magnetsierung in 3D. Die Kenntnis der Magnetisierung ist die Voraussetzung um die Empfindlichkeit von Magnetfeldsensoren zu verbessern.“
Sensoren für schwache Magnetfelder
Die neue Methode könnte für alle diejenigen interessant sein, die sich mit feinsten magnetischen Strukturen in kleinen Volumina befassen, zum Beispiel um empfindlichere Sensoren für die medizinische Bildgebung zu entwickeln. Verfahren wie die Magnetoenzephalographie beruhen darauf, dass die elektrische Aktivität einzelner Nervenzellen sehr schwache magnetische Felder erzeugt, die dann von außen nachweisbar sind – mit entsprechend empfindlichen Sensoren.
Zur Publikation: Retrieving spin textures on curved magnetic thin films with full-field soft X-ray microscopies. Robert Streubel, Florian Kronast,Peter Fischer, Dula Parkinson, Oliver G. Schmidt & Denys Makarov. Nature Communications 6, 7612, doi:10.1038/ncomms8612
(1): Advanced Light Source/Lawrence Berkeley National Laboratory, UC Santa Cruz
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.