Magnetische Muster in 3D

  • 14. July 2015

Synchrotron-Strahlung ermöglicht Auslesung komplexer Magnetisierungsmuster.

Feine Strukturen im Inneren von Materialien und biologischen Proben lassen sich heute mithilfe der Röntgentomographie gut darstellen. Es gab aber bislang keine vergleichbare Methode, um auch magnetische Strukturen im Inneren von Proben zu erfassen. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Berlin und dem IFW Dresden haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem das möglich ist.

magnetische Muster in 3D

Abb.: Oben ist die durchleuchtete Probe zu sehen, unten die Magnetisierungsdomänen (rot-blaue Muster). Die Probe ist eine 20 Nanometer dicke Schicht, die zu einer Röhre mit zwei Windungen aufgewickelt wurde. Die Röhre besitzt einen Durchmesser von 5 Mikrometern und eine Höhe von 50 Mikrometern. (Bild: F. Kronast, HZB)

Die Forscher untersuchten dafür Proben aus extrem dünnen magnetischen Schichten aus Nickel oder Kobalt-Palladium, die zu Röhren mit etwa zwei Windungen aufgewickelt wurden. Um ein dreidimensionales Abbild der Magnetisierung in den Röhren zu erhalten, wurden die Proben mit zirkular polarisiertem Röntgenlicht durchleuchtet. Bei den Aufnahmen am Röntgen­mikroskop an der Advanced Light Source und an der XPEEM-Beamline von BESSY II wurden die Proben für jede neue Aufnahme etwas gedreht, sodass eine Reihe von zweidimensionalen Aufnahmen entstand. „Das polarisierte Licht hat die magnetischen Schichten aus unterschiedlichen Winkeln durch­drungen“, erklärt Florian Kronast, der am HZB für die XPEEM-Beamline verantwortlich ist. „Im XPEEM konnten wir dabei nicht nur die magnetischen Strukturen an der Oberfläche messen, sondern auch durch den Schattenwurf noch Informationen gewinnen.“

Im Endergebnis gelang es den Physikern, die magnetischen Strukturen am Computer dreidimensional zu rekonstruieren. Dabei konnten sie in diesen Proben Strukturen von 75 Nanometern abbilden. „Kleinere magnetische Strukturen gab es in diesen Proben einfach nicht, die mögliche Ortsauflösung dieser Methode liegt jedoch bei unter 20 Nanometern“, sagt Kronast. Der entscheidende Punkt ist jedoch, dass bislang für die Abbildung von mag­ne­tischen Domänen im Nanometer-Bereich in dreidimensionalen Objekten nur die Elektronenholographie in Frage kam, die eine sehr komplizierte Proben­präparation erfordert und die Magnetisierung nur indirekt über die resul­tierende Magnetfeldverteilung ermitteln kann. „Unser Verfahren dagegen ermöglicht nun eine direktere Kartierung der Magnetisierung in 3D. Die Kenntnis der Magnetisierung ist die Voraussetzung um die Empfindlichkeit von Magnetfeldsensoren zu verbessern.“

Die neue Methode könnte zum Beispiel die Entwicklung von empfindlicheren Sensoren für die medizinische Bildgebung ermöglichen. Verfahren wie die Magnetoenzephalographie beruhen darauf, dass die elektrische Aktivität einzelner Nervenzellen sehr schwache magnetische Felder erzeugt, die dann von außen nachweisbar sind – mit entsprechend empfindlichen Sensoren.

HZB / RK

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