Beispiele aus der Neutronenforschung am BER II

2001: Gemäldeforschung mit Neutronen: Überraschung hinter dem „Mädchen mit Fruchtschale“

Das „Mädchen mit Fruchtschale“ wurde von Tizian im 16. Jahrhundert in Venedig gemalt. Im Auftrag der Gemäldegalerie wurde das Bild am BER II mit Neutronen untersucht. Dabei regen die Neutronen die Farbpigmente an, so dass sich daraus auf Art der Pigmente schließen lässt. Die Untersuchung brachte eine Überraschung ans Licht: Tizian hatte für das goldbestickte Kleid des Mädchens schon im Jahr 1555 Neapel-Gelb verwendet hat. Dabei wird diese Farbe erst ab  1702 in der Literatur erwähnt! Dies zeigt, wie weit die mächtige Handelsmacht Venedig international vernetzt war.

Alzheimer-Beta-Amyloid

Publikation: Biophysical Journal  (2002) Volume 83, 2610-2616 Silvia Dante, Thomas Hauß, Norbert A. Dencher

2003: Bose-Einstein-Kondensat: Magnetfelder erzeugen ungewöhnlichen Materiezustand

In einem Experiment am BER II wurden zum ersten Mal die magnetischen Eigenschaften eines Kristalls für die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats genutzt. Bei den Kristallen handelt es sich um die ungewöhnliche chemische Verbindung TlCuCl3 (Thallium-Kupfer-Trichlorid). Der exotische quantenphysikalische Materiezustand entstand, als der Kristall in ein starkes Magnetfeld von 14 Tesla gebracht wurde und konnte mit Hilfe von Neutronen nachgewiesen werden. > zur News

Publikation: Nature Vol. 423, 1 May 2003, pp. 62-65

2006: Wie schnell trinkt die Tomate?

Mit Neutronen lässt sich sichtbar machen, wie rasch Wasser in einer Pflanze aufsteigen kann. Dies zeigten japanische Wissenschaftler an einem Tomatensetzling, den sie an der Neutronenquelle BER II am HZB untersucht haben. Dafür wurde die Pflanze mit so genanntem „schweren“ Wasser gegossen, das sich für Neutronen deutlich vom gewöhnlichen Wasser abhebt. Die Ergebnisse könnten helfen, landwirtschaftliche Erträge zu steigern. Gegenüber Röntgenstrahlen sind Neutronen vor allem dann im Vorteil, wenn es darum geht, leichte Elemente wie Wasserstoff zu zeigen und tief in Metalle einzudringen. > zur News

2006: Wie wird Zement stabil?

Zement ist zunächst nach dem Anrühren mit Wasser weich und plastisch und härtet mit der Zeit zu einem sehr festen Material aus. Dabei sind Reaktionen und Wechselwirkungen mit den Wassermolekülen für die Qualität  entscheidend. Mit quasielastischer Neutronenstreuung am BER II untersuchte ein Team eine Reihe unterschiedlicher Zementmischungen. Aufgrund der Messdaten konnten sie drei verschiedene Prozesse unterscheiden, die beim Aushärten eine Rolle spielen: Ein Teil der Wassermoleküle wird chemisch im Zement gebunden, ein weiterer Anteil physikalisch und ein dritter Anteil wird nicht gebunden, sondern verbleibt in Poren und Kapillaren im Zement.

Quelle: Journal of Physical Chemistry B (2006); Doi:10.1021/jp062922f

2008: Dreidimensionale Bildgebung - einmalige Einblicke in Magnetfelder

Wie Magnetfelder im Inneren von massiven, nicht transparenten Materialien aussehen, lässt sich nun experimentell ermitteln. Um die Abbildung zu gewinnen, wurde die Probe mit polarisierten Neutronen durchleuchtet und das Bild aus den Messdaten errechnet. > zur News

Publikation: Nature Physics (2008) Doi: 10.1038/nphys912

Dysprosium-Titanat-Kristall

Dysprosium titanate crystal

2010: Den Goldenen Schnitt gibt es auch in der Quantenwelt

Am BER II konnten Wissenschaftler erstmals verborgene Symmetrieeigenschaften in fester Materie entdeckt. Die Kennzeichen, die den aus Kunst und Architektur bekannten Goldenen Schnitt ausmachen, haben die Forscher im atomaren Aufbau eines Kristalls aus Kobalt-Niobat gefunden. > zur News

Publikation: Science, (2010) Doi: RE1180085/JEC/PHYSICS

3D-Magnet

Die Grenzen der magnetischen Domänen können am Computer dreidimensional dargestellt werden. Copyright: HZB/Manke, Grothausmann

2011: Überraschender Einblick hinter die Schnauze eines Fossils

Wissenschaftler vom Naturkundemuseum Berlin haben am HZB einen versteinerten „Dinoschädel“ mit Neutronentomografie untersucht. Dabei konnten sie den Schädel im Gestein belassen, sie mussten ihn also nicht vorab herauspräparieren. Mit Neutronen durchleuchteten sie den Verbund und konnten so Schicht für Schicht ein dreidimensionales Bild rekonstruieren. Insbesondere konnten sie härtere und weichere Bestandteile im Schädel voneinander unterscheiden. So fanden die Forscher im Bereich der Schnauze noch Spuren von weichem Knorpelgewebe. Diese Gewebespuren wären durch eine mechanische Freilegung des Schädels sicher zerstört worden.

Publikation: Acta Zoologica 92, 363-371 (2011)

2014: Was passiert in Stahl unter Belastung?

Rostfreier Stahl muss stellenweise höchsten Belastungen standhalten. Um abzuschätzen, wann das Material ermüden könnte, muss man wissen, wo Belastungen etwas im Gefüge verändern. Nun haben Teams am HZB eine neue Methode der Bildgebung mit Neutronen entwickelt, mit der sich die kristallinen Phasen und ihre Veränderung durch Belastung innerhalb der Probe mit hoher räumlicher Genauigkeit kartieren lassen. > zur News

Publikation: Advanced Materials (2014) Doi:10.1002/adma.201400192

Zahnzement

Die Neutronentomographie-Aufnahmen (linke Spalte) zeigen, wie sich Flüssigkeit in dieser Zahnfüllung verteilt, während die Röntgen-CT-Aufnahmen (rechte Spalte) Mikrostruktur und Poren der gleichen Probe abbilden. Die Analysen dieser Aufnahmen zeigen, bei welcher Zubereitungsweise sich am wenigsten Wasser in Poren einlagert.

2015: Kristallstruktur und Magnetismus – neuer Einblick in die Grundlagen der Festkörperphysik

Ein Team am HZB hat erstmals im Detail untersucht, wie sich in kristallinen Proben mit Spinellstruktur magnetische und geometrische Ordnungen gegenseitig beeinflussen. Die Gruppe hatte dazu eine Reihe von Mischkristallen mit der Summenformel Ni1-xCuxCr2O4 synthetisiert, in denen das Element Nickel sukzessive durch Kupfer ersetzt wurde. Mit Neutronenstreuexperimenten am BER II deckten sie auf, wie sich dadurch nicht nur die  Kristallstruktur verändert, sondern auch neue magnetische Phasen auftreten. > zur News

Publikation: Physical Review B (2015). Doi: 10.1103/PhysRevB.91.024407

2015: Außergewöhnliche magnetische Struktur und Spindynamik im magnetoelektrischen Material LiFePO4 entdeckt

Ein HZB-Team hat die komplexe magnetische Struktur und die darauf basierende Spindynamik in der magnetoelektrischen Substanz LiFePO4 entschlüsselt. Materialien dieser Klasse werden bereits heute in der Sensorik eingesetzt und haben großes Anwendungspotential in der Datenspeicherung sowie der Spintronik. Mit Experimenten, die an der Neutronenquelle BER II des HZB durchgeführt wurden, identifizierten die Forscher in LiFePO4 einen neuen Zweig im magnetischen Anregungsspektrum und wiesen eine nicht-kollineare magnetische Struktur nach. > zur News

Publikation: Physical Review B (2015). Doi: 10.1103/PhysRevB.92.024404

Ein Ausschnitt aus dem Kristallgitter

Ein Ausschnitt aus dem Kristallgitter der Probe verdeutlicht, dass die Spins widersprüchlichen Anforderungen ausgesetzt sind. Die grünen und roten Balken zwischen Gitterplätzen symbolisieren ferromagnetische Wechselwirkungen. Die blauen Balken dagegen die antiferromagnetischen.
Copyright: HZB

2016: Energie speichern mit Silizium-Dünnschichten

Lithium-Ionen-Akkus könnten ihre Kapazität theoretisch vervielfachen, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde. Ein HZB-Team hat erstmals mit Neutronenmessungen detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern. Ihre Arbeit zeigt, dass schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen. Diese Erkenntnisse sind hilfreich für das Design von guten Silizium-Elektroden. > zur News

Publikation: ACSnano (2018). Doi: 10.1021/acsnano.6b02032

Zeitaufgelöste Tomographie einer Lupinenwurzel

Zeitaufgelöste Tomographie einer Lupinenwurzel (gelbgrün), nachdem deuteriertes Wasser (D2O) von unten zugegeben wurde. Der Zeitverlauf zeigt die aufsteigende Wasserfront (H2O, dunkelblau), die durch das D2O von unten verdrängt wird. Die komplette Abfolge ergibt ein Video. Urheber: Christian Tötzke © Universität Potsdam

2017: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert.  Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht. > zur News

Publikation: Physical Review B (2017). Doi: 10.1103/PhysRevB.96.121117

Schwerter

Das Wulfsschwert ist an dem Prägestempel erkennbar, der einen Wolf zeigt (Pfeil).

2018: Neutronen tasten Magnetfelder im Innern von Proben ab

Mit Hilfe einer neu entwickelten Neutronen-Tomographie-Methode hat ein HZB-Team erstmals den Verlauf von magnetischen Feldlinien im Innern von Materialien abbilden können. Die „Tensorielle Neutronen-Tomographie“ verspricht neue Einblicke in Supraleiter, Batterie-Elektroden und andere Energiematerialien. > zur News

Publikation: Nature Communications (2018): Doi: 10.1038/s41467-018-06593-4

Neutronen-Eigenspannungsmessung, Magnetfeldmessung, Schweißnahtquerschliff

a) Neutronen-Eigenspannungsmessung an einer Schweißprobe aus handelsüblichen Stahl, (b) Magnetfeldmessung, (c) Schweißnahtquerschliff.
Copyright: BAM

2018: Nutzerforschung am BER II: Neue Erkenntnisse zur Hochtemperatur-Supraleitung

Auch nach 30 Jahren Forschung bleiben viele Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern rätselhaft. So bildet sich in einigen Kuprat-Supraleitern eine magnetische “Streifen-Ordnung” aus. Ein dänisches Forscherteam hat diese Streifen mit Hilfe von Neutronen an den hochauflösenden Spektrometern FLEXX (HZB) und ThALES (ILL, Grenoble) genauer untersucht. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei, das Phänomen der  Hochtemperatur-Supraleitung weiter zu entschlüsseln. > zur News

Publikation: Phys. Rev. Letters (2018): Doi: 10.1103/PhysRevLett.120.037003

Si-Anode

Wie Lithium in die Silizium-Anode einwandert, hat das Team mit Neutronenstrahlen (rote Pfeile) gemessen. Copyright: HZB