Ultraempfindliches Magnetmikroskop

  • 30. March 2017

Bose-Einstein-Kondensat dient zur Messung extrem schwacher Magnetfelder.

Durch eine möglichst genaue Bestimmung von Magnetfeldern erhält man wichtige Einblicke in komplexe und technologisch relevante Materialien. Ein neues mikro­skopisches Verfahren, das die Wirkung von Magnetfeldern auf ein atomares Bose-Einstein-Kondensat nutzt, erreicht eine Rekordempfindlichkeit über einen großen Temperatur­bereich. Benjamin Lev und seine Mitarbeiter von der Stanford University nennen ihr neues Magnet­mikroskop SQCRAMscope (Scanning Quantum Cryogenic Atom Microscope). Sein Herzstück ist ein Bose-Einstein-Kondensat aus etwa 40 Millionen Rubidium-87-Atomen, die von einem Atomchip in einer magneto­statischen harmonischen Falle mit Hilfe des Zeeman-Effekts festgehalten werden.

Abb.: Aus der über die x-y-Ebene gemessenen atomaren Dichteverteilung im Kondensat (oben) wird zuerst die Verteilung der Magnetfeldstärke (Mitte) und daraus die Verteilung des elektrischen Stroms (unten) ermittelt, der durch eine Materialprobe (ganz unten) fließt. (Bild: F. Yang et al.)

Abb.: Aus der über die x-y-Ebene gemessenen atomaren Dichteverteilung im Kondensat (oben) wird zuerst die Verteilung der Magnetfeldstärke (Mitte) und daraus die Verteilung des elektrischen Stroms (unten) ermittelt, der durch eine Materialprobe (ganz unten) fließt. (Bild: F. Yang et al.)

Da in der Falle die longitudinale Schwingungs­frequenz der Atome (d. h. in x-Richtung) 157-mal so groß war wie die transversale Frequenz, hatte das Kondensat die Form einer extrem dünnen Zigarre: Es war 300 Mikrometer lang, einige Mikrometer dick und in x-Richtung orientiert. Zwischen dem Atom­chip und dem unter ihm schwebenden Kondensat war ein Zwischen­raum von einigen Mikrometern, in den eine dünne Material­probe zur Untersuchung eingeführt werden konnte.

Die von den Forschern verwendete Materialprobe bestand aus einer gold­beschichteten Silizium­unterlage. Die Goldschicht hatte zahlreiche in einer Reihe angeordnete Löcher. Die zwischen den Löchern befindlichen Stege wurden zu strom­durchflossenen Drähten, wenn an die Gold­schicht eine Spannung angelegt wurde. Dabei entstand ein Magnetfeld, das zusätzlich zum Feld der Magnetfalle auf das Kondensat wirkte.

Wiederum aufgrund des Zeeman-Effektes führte dieses zusätzliche Magnetfeld dazu, dass sich die atomare Dichte­verteilung im Kondensat änderte. Nahe den strom­durchflossenen Stegen, wo die x-Komponente dieses Magnet­feldes am stärksten war, sammelte sich das Kondensat. Es war nun nicht mehr zigarren­förmig sondern ähnelte einer Perlen­kette, die in x-Richtung orientiert war.

Die durch das Magnetfeld veränderte atomare Dichte­verteilung ermittelten die Forscher, indem sie die Atome mit abgestimmtem Laserlicht bestrahlten und das resultierende Absorptions­muster mikro­meter­genau mit einer CCD-Kamera aufzeichneten. Dabei wurde das Kondensat aufgeheizt und zerstört, sodass die Forscher es für jedes Bild erneut herstellen mussten, was einige Sekunden dauerte.

Aus der gemessenen Atomverteilung im Kondensat längs der x-Richtung ließ sich die x-Komponente des Magnet­feldes bestimmen – und zwar gleichzeitig für viele Punkte auf der x-Achse. Daraus konnten die Forscher dann die Stromverteilung in der Material­probe ermitteln. Indem sie die Material­probe schrittweise in y-Richtung verschoben und die Messungen wiederholten, konnten sie das Magnetfeld und die Strom­verteilung über einen großen Bereich in der x-y-Ebene abrastern.

Da sich die Versuchsanordnung im Vakuum befand, war das Kondensat thermisch gut gegen die Materialprobe isoliert, sodass die Messungen über einen großen Temperatur­bereich von vier Kelvin bis Zimmer­temperatur durchgeführt werden konnten. Dabei erreichten die Wissenschaftler eine rekordverdächtige Feld­empfindlichkeit von 1,4 Nanotesla. Der magnetische Fluss ließ sich mit dem SQCRAMscope sogar zwei bis drei Größen­ordnungen empfindlicher messen als mit anderen Verfahren wie mit SQUIDs oder mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren.

Durch seine hohe Empfindlichkeit, den großen Temperaturbereich und die längs einer Raumrichtung parallel durchgeführten Messungen eröffnet das SQCRAMscope neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Materialien mit interessanten magnetischen Eigenschaften. Als Beispiel erwähnen die Forscher den Nachweis von spontan entstehenden Strömen in chiralen Supraleitern. Zudem ließe sich mit dem SQCRAMscope auch der Ladungs­transport in topologischen Materialien direkt untersuchen.

Rainer Scharf

DE

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