Neue Wechselwirkung zwischen Licht und Materie an BESSY II entdeckt
Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen en Begriff „MPI-IS“ ergeben. © Alejandro Posada, Felix Groß/MPI-IS
Ein deutsch-chinesisches Team um Gisela Schütz vom MPI für Intelligente Systeme hat an BESSY II eine neue Wechselwirkung zwischen Licht und Materie entdeckt. Es gelang ihnen damit, nanometerfeine magnetische Wirbel in einer magnetischen Schicht zu erzeugen. Dabei handelt es sich um so genannte Skyrmionen, die für künftige Informationstechnologien interessant sind.
Skyrmionen sind 100 Nanometer kleine dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Elementarmagnete – sogenannte Spins –, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topologisch geschützt, d. h. in ihrer Form unveränderbar und gelten daher als energieeffiziente Datenspeicher.
Weiches Röntgenlicht an BESSY II
In einer Reihe von Experimenten an der MAXYMUS-Beamline von BESSY II zeigten die Forschenden nun, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern einen Magnetwirbel von 100 Nanometern hervorbringen kann. Um die Skyrmionen sichtbar zu machen, nutzen die Forschenden das Rastertransmissions-Röntgenmikroskop MAXYMUS. Dabei handelt es sich um ein hochauflösendes Röntgenmikroskop, 1,8 Tonnen schwer, das an BESSY II angesiedelt ist.
Entdeckung durch glücklichen Zufall
Diese Entdeckung verdankt sich einem Zufall, denn bisher war diese Art der Interaktion zwischen Licht und Materie völlig unbekannt. „Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt“, sagt Dr. Joachim Gräfe, Leiter der Forschungsgruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS. Er ist einer der Hauptautoren der Studie, die im Februar in Nature communications veröffentlicht wurde. „Wir können bestimmte Eigenschaften phänomenologisch beschreiben. Wir wissen, dass es mit dem Röntgenstrahl zu tun hat. Es ist nicht nur ein Energieeintrag wie Wärme, der das Skyrmion schreibt. Es ist wirklich ein resonanter Effekt: wir können die Atome, die für den Magnetismus verantwortlich sind, direkt anregen.“ So konnten er und sein Team „MPI-IS“ schreiben (siehe Abbildung).
Ausblick: Spintronische Datenträger
Die Ergebnisse sind insbesondere für die Entwicklung und Herstellung sogenannter spintronischer Datenträger relevant, die Informationen in Skyrmionen speichern. Sie gelten als energieeffizient und wenig störanfällig. Doch nur, wenn Skyrmione präzise und passgenau kreiert werden können – und das ist nun erstmals möglich geworden – kann diese Entwicklung ihren Lauf nehmen. „Unser Ziel ist es, dass Röntgenstrahlen in Zukunft als Werkzeug dienen, um die Anordnung magnetischer Strukturen zu bestimmen bzw. zu schreiben.“
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.
- Unordnung erzeugt neue Eigenschaften in VerbindungshalbleiternEin internationales Forschungsteam hat gezeigt, dass intrinsische Unordnung im Verbindungshalbleiter CuInSnS₄ genutzt werden kann, um dessen optische Eigenschaften zu beeinflussen. Optische Anregungen (Exzitonen) reagieren empfindlich auf die lokale Anordnung der Atome. Dabei zeigen sie überraschenderweise eine richtungsabhängige Reaktion, obwohl die durchschnittliche Kristallstruktur kubisch ist. Diese Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf den Zusammenhang zwischen Unordnung und Materialeigenschaften und eröffnen neue Möglichkeiten für ein gezieltes „Unordnungs-Engineering“ in optoelektronischen und photokatalytischen Bauelementen.
- Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in BetriebEuropas erstes supraleitende TES-Array-Röntgenspektrometer an einer Röntgenquelle ist nun an BESSY II in Betrieb gegangen, entwickelt von Teams aus HZB, MPI-CEC (Mühlheim an der Ruhr, Deutschland) und NIST (Boulder CO, USA). Das neue Instrument ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter bei der Detektion von Photonen als herkömmliche Röntgenemissionsspektrometer und ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften atomar dünner Schichten, Nanostrukturen und hochverdünnter atomarer und molekularer Proben zu untersuchen. Das BESSY-Team freut sich auf spannende Forschungsideen aus der Nutzerschaft!