„Wir sind stolz, dass es geklappt hat“: BESSY und Transregio-SFB zu ultraschneller Spindynamik

An der Femtoslicing-Beamline von BESSY II können die Beteiligten aus dem Transregio-SFB ihre Experimente durchführen.

An der Femtoslicing-Beamline von BESSY II können die Beteiligten aus dem Transregio-SFB ihre Experimente durchführen. © HZB

Der Probenhalter an der Femtoslicing Beamline.

Der Probenhalter an der Femtoslicing Beamline. © HZB

Die Proben werden mit Laserlicht angeregt.

Die Proben werden mit Laserlicht angeregt. © HZB

Sonderforschungsbereiche ermöglichen es vor allem den Universitäten, eigene Forschungskapazitäten bis auf internationales Spitzenniveau aufzubauen. Im Transregio-Sonderforschungsbereich 227 Ultrafast Spin Dynamic haben die Freie Universität Berlin und die Universität in Halle-Wittenberg auch das HZB als Partner eingebunden. Dabei nimmt die Slicing-Facility von BESSY II eine zentrale Rolle ein. Mit hervorragenden Ergebnissen aus der ersten Phase hat der Transregio-SFB 227 seine erste Zwischenbegutachtung abgeschlossen und bereitet sich nun auf die kommenden Herausforderungen vor. Ein Gespräch mit den beiden HZB-Physikern Niko Pontius und Christian Schüssler-Langeheine über die Bedeutung von solchen Förderprogrammen für das Forschungsgebiet.

Das Forschungsthema lautet: "Ultraschnelle Spindynamik". Können Sie in einfachen Worten beschreiben, warum es wichtig ist, die Dynamik von Spins zu untersuchen?

Christian Schüßler-Langeheine: Unsere ganze Technologie, von der Halbleiterelektronik bis zu Informationstechnologien, basiert auf elektrischen Ladungen von Elektronen. Aber Elektronen haben auch einen Spin, ein magnetisches Moment. Diesen Spin kann man ebenfalls nutzen, um Daten zu verarbeiten oder zu speichern. Und Spins lassen sich extrem schnell und mit sehr wenig Energie manipulieren, daher sind spin-basierte Technologien extrem effizient. Diese Prozesse wollen wir untersuchen und verstehen.

Geht es hier vor allem um Grundlagenforschung?

SL: Nein, nicht nur: Der Transregio- Sonderforschungsbereich (SFB) ist sehr breit aufgestellt, wir befassen uns mit absoluten Grundlagenfragen bis hin zu Entwicklungen, die schon sehr dicht an konkreten Bauteilen sind.

Niko Pontius: Ein konkretes Beispiel aus dem Transregio SFB: Bislang sind Terahertz-Quellen, also Quellen für elektromagnetische Strahlung im Terahertzbereich, sehr schwer herzustellen, eigentlich braucht man dazu einen Teilchenbeschleuniger wie BESSY. Aber in einem der Transregio-Projekte ist es gelungen, mit einem Laser ein magnetisches Sandwichsystem zu einer Terahertz-Quelle zu machen.

Die Sonderforschungsbereiche sind ja eigentlich vor allem dafür eingerichtet worden, um exzellente Forschung an Universitäten zu stärken. Wie ist nun das HZB in diesen SFB eingebunden?

SL: In diesem Transregio-SFB gibt es insgesamt 17+2 Projekte, die an zwei Universitäten in zwei Städten angesiedelt sind: An der FU Berlin und an der Uni Halle-Wittenberg. Lokal um diese beiden Kerne bilden sich Cluster, und hier in Berlin gehört das HZB dazu, weil wir mit BESSY die perfekte Röntgenquelle anbieten können für experimentelle Untersuchungen der ultraschnellen Spindynamik. Von den 17+2 Projekten haben etwa acht einen direkten Bezug zur Femtoslicing-Quelle.

Die erste Phase des SFB dauert vier Jahre. Ist die Verlängerung selbstverständlich?

NP: Bei der ersten Begutachtung eines SFBs geht es um die Idee, und zwar schon mit einer sehr langen Zeitperspektive von zwölf Jahren. Bei der ersten Zwischenbegutachtung müssen wir dann Ergebnisse liefern, da geht es darum: Konntet ihr die Ideen umsetzen und habt ihr einen Plan für die nächsten acht Jahre, der auch trägt? Insofern können wir sehr stolz drauf sein, dass das geklappt hat.

Und was bedeutet die Verlängerung des Transregio SFBs für das HZB?

SL: Das ist eine tolle Anerkennung unserer Arbeit. Und ein starkes Argument, wenn wir mit unseren Partnern Anträge für die Verbundforschung schreiben.

Gab es eine überraschende Erkenntnis schon in der ersten Phase des SFB?

SL: Ja, zum Beispiel an BESSY II. Dazu muss ich etwas ausholen. Diese zeitaufgelösten Experimente funktionieren ja in der Regel so: Man stört das System mit einem Laserpuls und schaut, wie sich die Spins mit der Zeit entwickeln. Bisher dachte man: Der Laserpuls regt das Elektronensystem an und heizt es auf - das dauert ein paar hundert Femtosekunden, bis die wieder abkühlen und erst dann geht die magnetische Dynamik los. Aber unsere Experimente haben nun gezeigt, dass die Spindynamik schon viel früher beginnt. Da werden schon Ladungen zwischen verschiedenen Elementen in der Probe umsortiert und Spins transferiert. Das ist in der ersten Förderperiode erarbeitet worden und hat den Plan für die nächsten Förderperioden stark beeinflusst.

Warum ist die Slicing-Quelle an BESSY II so wichtig für die Untersuchungen?

NP: Wir haben an der Femtoslicingquelle eine Zeitauflösung von 120 Femtosekunden, das ist 400 Mal besser als die Zeitauflösung ohne das Slicing (50 Pikosekunden). Nur diese hohe Zeitauflösung ermöglicht es uns, die Dynamik schon gleich nach der Anregung zu beobachten.

Gibt es weitere Pluspunkte für Experimente an der Slicing-Quelle?

NP: Mit dem weichen Röntgenlicht von BESSY II lassen sich die magnetischen Eigenschaften in Materialien aus mehreren Elementen ganz elementspezifisch auftrennen. Und wir haben eine besondere Technik, den zirkularen Röntgendichroismus: Sie erlaubt uns, den Spinanteil des magnetischen Moments von dem Anteil, der durch die Kreisbewegung des Elektrons entsteht, zu trennen. Das ergibt ein besonders detailliertes Bild.

Ist das ein Alleinstellungsmerkmal?

SL: Für lange Zeit waren wir weltweit die einzige Quelle, die die Kombination von Zirkularpolarisation und Femtoslicing anbieten konnten. Inzwischen gibt es auch andere Quellen, die das aufbauen.  Aber durch die langjährige Erfahrung sind wir führend und wir verbessern die Methoden immer weiter.

Gibt es jetzt konkrete Projekte, um die experimentellen Möglichkeiten noch auszubauen?

SL: Ja. Um die elektronischen Anregungen in der allerersten Phase direkt nach dem Laserpuls mit genauer zu untersuchen, würden wir gerne einen zweiten Zweig an der Femtoslicing Beamline aufbauen.

Vielen Dank für das Gespräch.

arö


Das könnte Sie auch interessieren

  • Neue Methode zur Absorptionskorrektur für bessere Zahnfüllungen
    Science Highlight
    24.06.2024
    Neue Methode zur Absorptionskorrektur für bessere Zahnfüllungen
    Ein Team um Dr. Ioanna Mantouvalou hat eine Methode entwickelt, um die Verteilung von chemischen Elementen in Dentalmaterialien präziser als bisher möglich darzustellen. Die konfokale mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (micro-XRF) liefert dreidimensional aufgelöste Elementbilder, die Verzerrungen enthalten. Sie entstehen, wenn Röntgenstrahlen Materialien unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung durchdringen. Mit Mikro-CT-Daten, die detaillierte 3D-Bilder der Materialstruktur liefern, und chemischen Informationen aus Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) - Experimenten im Labor (BLiX, TU Berlin) und an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II haben die Forschenden das Verfahren nun verbessert.
  • Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) eröffnet
    Nachricht
    19.06.2024
    Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) eröffnet
    Am 17. Juni 2024 ist in Jena das Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) im Beisein von Wolfgang Tiefensee, Minister für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft des Freistaates Thüringen, feierlich eröffnet worden. Das Institut wurde vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) in Kooperation mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena gegründet: Es widmet sich der Entwicklung nachhaltiger Polymermaterialien für Energietechnologien. Diese sollen eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen und Deutschlands Ziel unterstützen, bis 2045 klimaneutral zu werden.
  • „Forschung und Entwicklung ist auch in Kriegszeiten entscheidend!“
    Interview
    18.06.2024
    „Forschung und Entwicklung ist auch in Kriegszeiten entscheidend!“
    Am 11. und 12. Juni fand die Ukraine Recovery Conference in Berlin statt. Begleitend diskutierten Vertreter*innen von Helmholtz, Fraunhofer und Leibniz, wie Forschung zu einem nachhaltigen Wiederaufbau der Ukraine beitragen kann. In diesem Interview spricht Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer am HZB, über die Bedeutung von Forschung während des Krieges und Projekten wie Green Deal Ukraina.