Spintronik: Ein neues Werkzeug an BESSY II zur Untersuchung der Chiralität
Das Bild illustriert den Haupteffekt, der mit dem neu entwickelten Instrument ALICE II an BESSY II gemessen wurde: Ein zirkular polarisierter weicher Röntgenstrahl wird an einem Kristall gestreut, der eine helikale magnetische Ordnung aufweist. Dies führt zu zwei Streustrahlen unterschiedlicher Intensität.
© F. Radu/HZB
Informationen über komplexe magnetische Strukturen sind entscheidend für das Verständnis und die Entwicklung spintronischer Materialien. Jetzt steht bei BESSY II ein neues Instrument namens ALICE II zur Verfügung. Es ermöglicht magnetische Röntgenstreuung im reziproken Raum mit Hilfe eines neuen großflächigen Detektors. Ein Team des HZB und der Technischen Universität München hat die Leistungsfähigkeit von ALICE II demonstriert und helikale und konische magnetische Zustände in einem Einkristall mit Skyrmionen analysiert. Das neue Instrument steht nun auch Messgästen an BESSY II zur Verfügung.
ALICE II wurde von Dr. Florin Radu und der Konstruktionsabteilung am HZB in enger Zusammenarbeit mit Prof. Christian Back von der Technischen Universität München und seiner technischen Unterstützung konzipiert und gebaut. "ALICE II verfügt über eine einzigartige Fähigkeit: Es emöglicht magnetische Röntgenstreuung im reziproken Raum mit einem neuen großflächigen Detektor bis zu den höchsten erlaubten Reflexionswinkeln", erklärt Radu. Um die Leistungsfähigkeit des neuen Instruments zu demonstrieren, untersuchten die Wissenschaftler eine polierte Probe von Cu2OSeO3.
Mott-Isolator untersucht
Cu2OSeO3 ist ein Mott-Isolator mit einer kubischen Kristallstruktur, die jedoch keine Inversionssymmetrie aufweist. Dadurch kommt es zu einer spiralförmigen magnetischen Ordnung: Die magnetischen Spins drehen sich im oder gegen den Uhrzeigersinn in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung. Das magnetische Ion ist Kupfer (Cu), und die Chiralität der magnetischen Struktur kann durch äußere Reize nicht umgekehrt werden. Die hohe Probenqualität ist dabei von entscheidender Bedeutung und wurde von Dr. Aisha Aqueel sichergestellt.
Einblicke in Spin-Texturen
Mit zirkular polarisierter Röntgenstrahlung konnte die Gruppe helikale und konische magnetische Modulationen als Satellitenreflexionen beobachten. "Mehr noch: Die Chiralitätsinformation der zugrundeliegenden Spin-Texturen ist als dichroitische Intensität kodiert", betont Radu. Dies zeigt einen neuen Weg, um chirale und polare magnetische Texturen zu untersuchen, und zwar mit höchster räumlicher Auflösung und auf sehr kurzen Zeitskalen, wie sie für Synchrotron-Röntgenexperimente typisch sind.
Hinweis: Das Projekt wurde vom BMBF und HZB gefördert.
- 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.