BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im Zentrum

Dr. Anna Palau vom Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) hat ein spezielles Metamaterial entwickelt, das unter dem Rasterelektronenmikroskop winzigen Blüten ähnelt. Die „Blütenblätter“ bestehen aus Streifen einer ferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung. Die Mikroblüten lassen sich in unterschiedlichen Geometrien herstellen, nicht nur Innen- und Außenradien, sondern auch Anzahl und Breite der Blütenblätter sind variabel. Diese blütenförmige Geometrie bewirkt, dass sich die Feldlinien eines äußeren Magnetfeldes im Zentrum der „Blüte“ konzentrieren, was zu einem lokal deutlich stärkeren Magnetfeld führt.

Magnetische Metamaterialien

„Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien mit Mikrostrukturen, deren Abmessungen kleiner sind als die elektromagnetischen oder thermischen Wellen, die sie manipulieren sollen“, erklärt Anna Palau. Die Physikerin arbeitet an magnetischen Mikrostrukturen, die in der Datenspeicherung, Informationsverarbeitung, Biomedizin, Katalyse und magnetischen Sensorik eingesetzt werden können. So erhöhen solche Metamaterialien die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren, indem sie das zu detektierende Magnetfeld verstärken.

Magnetische Domänen kartiert

Anna Palau, ihr Student Aleix Barrera und Sergio Valencia haben dies nun an der XPEEM-Versuchsstation von BESSY II untersucht. Sie platzierten einen Kobaltstab im Zentrum verschiedener Mikroblüten als Sensor für das Magnetfeld und kartierten die magnetischen Domänen im Inneren des Kobaltstabs. „Durch die Anpassung der geometrischen Parameter wie Form, Größe und Anzahl der Blütenblätter kann das magnetische Verhalten umgeschaltet und gesteuert werden“, sagt Valencia. Dadurch könnte die Empfindlichkeit eines magnetoresistiven Sensors um mehr als zwei Größenordnungen erhöht werden.

Vielfältige Anwendungen, auch für neue XPEEM-Experimente

Diese Innovation eröffnet neue technologische Möglichkeiten, um die Leistung kleiner magnetischer Sensoren zu verbessern und multifunktionale magnetische Komponenten zu entwickeln. In Zukunft können solche Mikrostrukturen dazu verwendet werden, lokal viel höhere Magnetfelder zu erzeugen, was auch für die experimentelle XPEEM-Station bei BESSY II von Interesse ist. Denn das XPEEM ist ein Photoemissionselektronenmikroskop, bei dem die emittierten Elektronen das „Bild“ erzeugen. Magnetfelder lenken diese Elektronen jedoch ab, so dass es schwierig ist, ein stärkeres Magnetfeld anzulegen. „Das maximale Magnetfeld, das wir bisher anwenden können, liegt bei etwa 25 Millitesla (mT). Mit dem Magnetfeldkonzentrator, der das Feld nur lokal verstärkt, können wir problemlos fünfmal größere Felder erreichen. Das ist sehr spannend, weil wir damit magnetische Systeme unter Bedingungen untersuchen können, die bisher nicht möglich waren“, sagt Valencia.