Neutronen zeigen Flussschlauch-Inseln

  • 06. January 2016

Gitterinterferometrie ermöglicht ortsaufgelöste Untersuchung magnetischer Strukturen in Supraleitern.

Supraleiter verdrängen normalerweise angelegte Magnet­felder. Im Inneren von Typ-II-Supra­leitern bilden sich jedoch dünne Kanäle, Fluss­schläuche, durch die das Magnet­feld geleitet wird, während das restliche Material feld­frei und supra­leitend bleibt. In der Regel verteilen sich die Fluss­schläuche gleich­mäßig. In dem Metall Niob hingegen bündeln sich die Fluss­schläuche zu kleinen Inseln zusammen und bilden dabei komplexe Muster, welche in ähnlicher Form zahlreich in der Natur anzu­treffen sind. Forscher des Paul-Scherrer-Instituts und der TU München haben erst­malig Neutronen­experimente zur Unter­suchung dieser Strukturen in Niob durch­ge­führt und dabei die Verteilung der Inseln im Detail sichtbar gemacht. Wie die Experimente zeigen, verteilen sich die Fluss­schläuche nicht gleich­mäßig in dem Material, sondern finden teilweise zu komplex geformten Inseln zusammen, zwischen denen sich Bereiche ohne Fluss­schläuche befinden. Die Wissen­schaftler konnten zeigen, in welchen Teilen der Niob-Probe die Fluss­schlauch-Inseln auftreten und wie sich deren Struktur mit wachsendem Magnet­feld verändert.

Gitterinterferometer

Abb.: Für die Gitterinterferometrie sind drei solche Gitter aus Siliziumwafern nötig: Eines dient als Schlitzblende, eines als Phasengitter zur Brechung des Neutronenstrahls und das dritte misst das Beugungsmuster. Die drei Gitter werden in Kombination mit dem Instrument ANTARES am FRM II verwendet. (Bild: T. Reimann, TU München)

An der Neutronenquelle SINQ des PSI, sowie der Forschungs­neutronen­quelle FRM II der TUM setzten sie dafür Neutronen in verschiedenen Experi­menten als Mess­sonde ein. Sie schickten jeweils einen Strahl von Neutronen durch das unter­suchte Material und beobach­teten, wie die Neutronen auf ihrem Weg abge­lenkt wurden. Neutronen eignen sich für diese Unter­suchungen in besonderem Maße, da sie in einzig­artiger Weise durch die magne­tischen Fluss­schläuche im Material abge­lenkt werden. In ersten Experi­menten maßen die Forscher diese Ablenkung sehr genau und konnten daraus die Größe der Inseln abschätzen und die Anordnung der Fluss­schläuche zuein­ander ermitteln. Ob die Inseln gleich­mäßig über das ganze Material verteilt oder in einzelnen Bereichen konzen­triert sind, ließ sich dabei aber nicht feststellen.

Um die Verteilung der Flussschläuche dennoch sichtbar zu machen, verwendeten die Forscher von PSI und TUM eine neue Methode, die auf dem Prinzip der Gitter­inter­fero­metrie mit Neutronen beruht. Dabei werden bei dem Experiment die Neutronen durch mehrere Gitter, also Anord­nungen sehr feiner Streifen, die für Neutronen abwechselnd durch­lässig und undurch­lässig sind. Hinter den Gittern bildet sich ein Über­lagerungs­muster, in dem abwechselnd Bereiche mit vielen oder wenigen Neutronen auf­treten. Indem man nun betrachtet wie sich das Muster ändert, wenn man eine Probe in den Strahl stellt, kann man auf die Strukturen im Inneren der Probe schließen. „Die Gitter­inter­fero­metrie ermöglicht uns, Strukturen in einem Größen­bereich von einigen Mikro­metern – also so groß wie die Fluss­schlauch­inseln – orts­auf­gelöst zu unter­suchen“, erklärt Christian Grün­zweig, der am PSI für das Experiment zuständig ist und dort die Gitter­inter­fero­metrie mitent­wickelt hat. Mit dieser Methode war es möglich die räumliche Verteilung der Fluss­schlauch­inseln abzu­bilden, obwohl diese kleiner sind als einzelne Pixel des Detektors und daher eigentlich nicht sichtbar gemacht werden könnten. Über­raschen­der­weise zeigte sich, dass sich die Inseln nicht am Rand, sondern im Inneren der Probe bilden.

„Im Niob bilden die Flussschläuche und deren überge­ordnete Inseln typische Strukturen und Muster, die in ähnlicher Weise in vielen physika­lischen sowie chemischen Systemen auf verschie­densten Längen- und Zeit­skalen vorkommen etwa in magne­tischen Domänen, bei Mikro­strukturen in Legierungen oder in chemischen Diffusions­reaktionen“ erklärt Tommy Reimann, der als Doktorand an den Experimenten beteiligt war. „Durch Änderung des Magnet­felds oder der Temperatur kann man die Entstehung solcher Muster im Modell­system Niob auf einzig­artige Weise studieren und generelle Schluss­folgerungen über die Entstehung solcher Muster ziehen.“ Gleich­zeitig, so betonen die Forscher, eignet sich der in dieser Studie präsen­tierte experi­mentelle Ansatz zur Unter­suchung fast aller Systeme, welche Strukturen im Mikro­meter­bereich entwickeln.

PSI / TUM / RK

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