Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale Magnetfeld

Materialien 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.

Materialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten ein breites Spektrum an Anwendungsoptionen. Ein Bereich ist die sogenannte Spintronik mit Bauelementen, die Informationen in magnetischen Domänen kodieren. Es erfordert deutlich weniger Energie als in aktuellen Halbleiterbauelementen, um diese magnetischen Bits einzuschreiben, zu lesen oder zu löschen. Spintexturen und magnetische Domänen in solchen Materialien lassen sich mit nanoskaligen magnetischen Bildgebungsverfahren untersuchen, zum Beispiel mit Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM), gekoppelt mit einem magnetisch empfindlichen Detektionsmechanismus. Bisher war es jedoch schwierig, bis unmöglich, das Verhalten des Materials unter stärkeren Magnetfeldern zu beobachten, da die von der Probe emittierten und vom Mikroskop erfassten Photoelektronen durch die sogenannte Lorentzkraft, die unter dem Magnetfeld auftritt, abgelenkt werden. Daher konnten bei der Bildgebung nur sehr schwache Magnetfelder von bis zu 30 millitesla (mT) angelegt werden, so dass nur weichferromagnetische Systeme untersucht werden konnten, während halb- und hartferromagnetische Systeme für die Bildgebung im Magnetfeld unerreichbar blieben.

Brennglas für das Feld

In Zusammenarbeit mit Forschungsteams aus Spanien, Belgien, Großbritannien und China hat der HZB-Physiker Dr. Sergio Valencia nun einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf dafür winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs) aus ferromagnetischen Materialien, die einer geometrischen Blume mit Blütenblättern ähneln. In einen zentralen Spalt im Zentrum des MFC wird die Probe eingesetzt. Das außen angelegte Magnetfeld wird durch den MFC auf den Bereich fokussiert, in dem sich die Probe befindet, ähnlich wie es ein Vergrößerungsglas mit Sonnenlicht tut.

Faktor 5

 „Im Jahr 2025 konnten wir zeigen, dass solche Mikroblumen die Empfindlichkeit von Magnetfeldsensoren, die in ihrem Zentrum platziert sind, erheblich verbessern. Nun haben wir MFCs genutzt, um ein angelegtes Magnetfeld lokal genau dort zu verstärken, wo sich die Probe befindet, die wir untersuchen wollen. Und es funktioniert. Wir können nun magnetische Domänen bis zu mindestens 150 mT abbilden, sodass das lokale Feld weit über unserer 30-mT-Grenze liegt“, sagt Valencia. Die MFCs verstärkten das lokale Magnetfeld um den Faktor 5; theoretisch sind sogar Verstärkungen um bis zu den Faktor 30 möglich. „Durch Anpassung der Geometrie der MFC können wir präzise steuern, wie das Magnetfeld verstärkt wird, und es an die spezifische Probengeometrie anpassen“, sagt Valencia.

An Proben unterschiedlicher Größe getestet

Zur Demonstration untersuchte Valencias Team an der PEEM-Station bei BESSY II zwei verschiedene Magnetitproben biologischen Ursprungs: eine Kette magnetischer Nanopartikel mit Durchmessern von etwa 45 Nanometern, die von magnetotaktischen Bakterien auf natürliche Weise synthetisiert wurden, sowie ein etwa 60 Millionen Jahre altes Fossil mit einer Größe von etwa 2 Mikrometern. Polarisiertes Röntgenlicht wurde verwendet, um bei der Bildgebung mittels Röntgen-Magnetischem Zirkulärem Dichroismus (XMCD-PEEM) magnetische Empfindlichkeit zu erzielen. Bei beiden Proben gelang es, das Feld lokal auf die gewünschte Weise zu verstärken. Im riesigen Magnetofossil wurde erstmals die Entwicklung der magnetischen Domänenstruktur beobachtet.

Neue Einblicke in Quantenmaterialien

Diese Arbeit bedeutet einen enormen Fortschritt für die magnetische Bildgebung mit PEEM. Durch die Erweiterung des Magnetfeldbereichs vergrößert sich die Anzahl der Anwendungen und Systeme, die untersucht werden können, zum Beispiel neue nanoskalige Systeme mit magnetischen Phasenübergängen, künstliches Spin-Eis, magnetische Nanopartikel und Nanostrukturen sowie antiferromagnetische spintronische Bauelemente wie Spin-Ventile und Tunnel-Magnetowiderstands-Übergänge, einschließlich 2D-van-der-Waals-Magneten.

Anwendung in Mikroskopieverfahren

Insbesondere könnten MFCs auch dazu verwendet werden, lokal stärkere Magnetfelder in anderen elektronenbasierten Mikroskopieverfahren zu erzeugen, aber auch in Verfahren, bei denen räumliche Einschränkungen die Größe herkömmlicher Systeme zur Erzeugung von Magnetfeldern begrenzen. In dieser Hinsicht könnten auch Röntgentransmissionsmikroskopie, Röntgenptyxographie und Röntgenlaminographie von den Abmessungen der MFCs im Mikrometerbereich und ihrer direkten Integration in die Probe profitieren.