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Blick in Objekte: Interne magnetische Objektstruktur erstmals 3D-darstellbar

Erstmals gelang es Forschern des Paul Scherrer Instituts PSI der ETH Zürich und Universität Glasgow, magnetische Strukturen in magnetischen Objekten im Nanometerbereich abzubilden. Zum Einsatz kamen neuartige, im Rahmen der Studie selbst entwickelte Technologien.

Gadolinium-Kobalt-Magnet Bildquelle: © Paul Scherrer Institut/Claire Donnelly

Der virtuelle senkrechte Schnitt durch die Probe zeigt ihre innere magnetische Struktur.

Die neu entwickelte, sogenannte Magnettomografie, die im Rahmen derselben Studie am PSI entwickelt wurde, setzt harte Röntgenstrahlung ein. Die kleinsten in der Visualisierung darstellbaren magnetischen Muster sind rund 100 Nanometer klein. Das nur mehrere Mikrometer (tausendstel Millimeter) kleine Untersuchungsobjekt war ein zylinderförmiger Gadolinium-Kobalt-Magnet.

Als magnetische Struktur bezeichnet man die gemeinsame Anordnung magnetischer Momente, von denen jedes als winzige Kompassnadel gedacht werden kann. Bislang kann man diese Strukturen z.B. an Objektoberflächen sichtbar machen. »Mit unseren jetzigen Bildern dagegen können wir richtiggehend in das magnetische Material eintauchen«, sagt Laura Heyderman, Leiterin der Studie, Forscherin am PSI und Professorin an der ETH Zürich: »Wir sehen und verstehen die dreidimensionale Anordnung der winzigen magnetischen Kompassnadeln.« Diese kleinen Nadeln reagieren auf einander und sind daher nicht beliebig angeordnet, sondern bilden bestimmte Muster, die das gesamte magnetische Objekt durchziehen.

Die Forscher erkannten in einander verschlungene magnetische Strukturen, sogenannte magnetische Domänen, die gleiche magnetische Ausrichtungen besitzen und Domänenwände, die zwei solche Domänen voneinander trennen. Ferner beobachteten sie magnetische Wirbel in Form von Tornados und die sogenannten Block-Punkte. In solch einem Paar magnetischer Singularitäten gibt es einen Nanometer kleinen Bereich, in dem die »magnetische Kompassnadel«, bzw. Magnetisierung nicht stetig ist, sondern ihre Richtung schlagartig ändert.

Die hier verwendete experimentelle Technik der Röntgen-Magnettomografie nutzt dasselbe Prinzip wie die Computertomografie (CT): Proben werden mehrfach aus leicht unterschiedlicher Richtung aufgenommen. Zum Einsatz kam die cSAXS-Strahllinie der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. 

Die Messeinheit zur Röntgen-Nanotomografie des OMNY-Projekts ermöglichte zusammen mit einer kürzlich entwickelten Bildgebungstechnik namens Ptychografie die Experimente. Per Computerberechnungen und einem am PSI entwickelten neuartigen Rekonstruktionsalgorithmus entstand eine 3-D-Landkarte der Magnetisierung.

Die Forschenden nutzten sogenannte »harte« Röntgenstrahlen an der SLS des PSI, die im Vergleich zu »weichen« Röntgenstrahlen eine höhere Energie besitzen. »Weiche Röntgenstrahlung dringt kaum in solche Proben ein, daher lässt sich mit ihr nur die Magnetisierung eines Dünnfilms oder an der Oberfläche eines Objekts abbilden«, so Claire Donnelly, Erstautorin der Studie. Der Nachteil geringerer Signalstärke harter Röntgenstrahlung war kein Showstopper. »Viele Leute haben vorher nicht geglaubt, dass uns diese magnetische 3-D-Bildgebung mit harten Röntgenstrahlen gelingen würde«, erinnert sich Laura Heyderman. Möglicherweise ebnet das Verfahren den Weg, künftig maßgeschneiderte Magnete herzustellen.