Villigen

Sieben Tage für vier Bilder: PSI-Forscher bannen Magnetismus mit Nanometergenauigkeit auf Film

Manuel Guizar-Sicairos und Claire Donnelly waren Teil des Forscherteams.

Manuel Guizar-Sicairos und Claire Donnelly waren Teil des Forscherteams.

Erstmals nehmen Forschende am PSI in Villigen einen «3D-Film» von magnetischen Vorgängen im Nanometerbereich auf.

Wenn ein magnetischer Sticker an der Kühlschranktür haften bleibt, ist das wenig erstaunlich. Doch im Bereich von Nanometern (ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter) geben magnetische Strukturen und ihr Verhalten Physikern immer noch Rätsel auf. Zugleich ist hoch relevant für zukünftige Technologien, was auf dieser kleinen Skala geschieht. Nun gelang es Forschenden am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen erstmalig, einen kurzen Film der dreidimensionalen magnetischen Struktur im Inneren eines Materials mit Nanometergenauigkeit aufzunehmen.

«Magnetismus spielt auf viele Arten eine Rolle in unserem Alltag», sagt Claire Donnelly, Erstautorin der Studie. «Aber auf dieser ganz kleinen, grundlegenden Ebene sind die Phänomene noch nicht komplett verstanden.» Donnelly forschte Zeitpunkt der Experimente am PSI und arbeitet inzwischen an der Universität Cambridge in Grossbritannien. Die Forschenden nutzten das Röntgenlicht der sogenannten Synchrotron Lichtquelle Schweiz am PSI und eine spezielle, dort erst vor kurzem entwickelte, tomografische Methode, die «zeitaufgelöste ptychografische Laminografie».

Das Team bestand aus Forschenden am PSI, an der ETH Zürich und in Grossbritannien. «Mit unserer Methode können wir zerstörungsfrei das Material durchleuchten und aus den Daten mehrere aufeinanderfolgende 3D-Bilder der inneren magnetischen Struktur rekonstruieren», sagt PSI-Forscher Manuel Guizar-Sicairos.

Datenspeicher könnten noch effizienter werden

«Wir machen an jedem Messpunkt im Material die Ausrichtung des magnetischen Moments sichtbar und stellen diese dann als eine Art winzige magnetische Kompassnadel dar.» Genau wie magnetische Späne reagieren diese Kompassnadeln auf ein externes magnetisches Feld sowie aufeinander und bilden verschachtelte Muster, die das ganze Objekt durchziehen.

Dabei bilden sich Bereiche, sogenannte Domänen, in denen die Magnetisierung überwiegend in eine bestimmte Richtung zeigt. Die Übergänge zwischen zwei solcher Bereiche, also die Domänengrenzen, sind für Forschende besonders interessant: «Es gibt bereits Ideen, diese als Speicherbits zu nutzen, mit denen sich Daten womöglich noch enger packen liessen», sagt Donnelly. Wie diese Domänengrenzen im Detail aussehen, lässt sich in 3D erst seit kurzem und mit hochmodernen Bildgebungsmethoden unter anderem am PSI sichtbar machen.

3D-Aufnahmen wie bei Computertomografie

In der nun vorliegenden Studie gingen die Forschenden noch einen Schritt weiter, indem sie die Bewegung sowohl von Domänen als auch von Domänengrenzen abbildeten. «Wir machten sieben Momentaufnahmen, die Zeitpunkte zeigen, die jeweils nur eine viertelmilliardstel Sekunde auseinanderliegen. Darauf können wir sehen, wie eine Domänengrenze hin und her wandert.» Etwas mehr als viereinhalb Tage dauerte die reine Datenerhebung, die nachher diese Sequenz aus sieben Bildern ergab.

Die Aufnahme der 3D-Bilder aus dem Inneren der Probe wiederum basiert auf einem Grundprinzip der Computertomografie (CT). Ähnlich wie bei medizinischen CT-Scans wurden mit den Röntgenstrahlen viele Durchleuchtungsbilder der Probe nacheinander und jeweils aus leicht unterschiedlicher Richtung aufgenommen. Aus den gesammelten Daten erstellten die Forschenden mittels einer selbst entwickelten Software ihre 3D-Landkarten der Magnetisierung.

«Mit dieser Methode haben wir nicht nur zeitaufgelöste 3D-Filme des Inneren eines Objekts erreicht», sagt Claire Donnelly, «sondern wir konnten in einem Magneten die Dynamik im Nanobereich abbilden. Wir haben also gezeigt, dass unsere neu entwickelte Technik tatsächlich für die Entwicklung neuer Technologie relevant ist.» Und PSI-Forscher Manuel Guizar-Sicairos ergänzt: «Unsere neue Methode ist auch für andere Materialien geeignet und könnte damit in Zukunft noch weitere nützliche Anwendungen haben.» (az)

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