Magnetfelder im Neutronenblick

Dank ihres Spins treten Neutronen mit Magnet­feldern in Wechselwirkung. Dass sich diese Eigenschaft für das Sichtbar­machen von Magnetfeldern nutzen lässt, haben jetzt Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI gezeigt. Dazu nutzten sie polarisierte Neutronen, also alle Neutronen mit einheit­lichem Spin. Durchlaufen Strahlen polarisierter Neutronen ein Magnetfeld, so lässt sich hinter diesem Feld eine Brechung des Neutronen­strahls detektieren. Aus dem Brechungs­muster wiederum kann man das Magnetfeld und insbesondere Unterschiede der Feldstärken rekonstruieren. Erstmals wurden mit dieser Methode, auch bekannt als polarisierte Neutronen­gitter-Inter­ferometrie (pnGI), Magnetfelder untersucht.

Mit dieser Methode lassen sich sehr starke Magnetfelder vermessen, die eine Gradienten­stärke in der Größenordnung von einem Tesla pro Zentimeter aufweisen. „Dadurch bewegen wir uns in Größenordnungen, die etwa eine Million Mal stärker sind als das Erdmagnetfeld“, sagt Christian Grünzweig, PSI-Neutronen­forscher. Bislang ließen sich mit Neutronen nur deutlich schwächere Magnetfelder ausmessen. Für die neue Methode sind zahlreiche Anwendungen denkbar, vor allem weil Neutronen die meisten Materialien zerstörungsfrei durchdringen. „So können wir auch Magnete und ihre Felder bestimmen, die nur schwer zugänglich sind, weil sie bereits in eine Apparatur eingebaut sind“, erklärt Jacopo Valsecchi, Doktorand am PSI. „Die Anwendungen erstrecken sich von Lichtmaschinen in Automotoren über viele Komponenten des Energie­versorgungs­systems bis zu Magnetfeldern von Magnetresonanz­tomografen, wie sie in der Medizin eingesetzt werden.“

Dass ihre Methode funktioniert, belegten die Forscher unter anderem damit, dass sie mithilfe von Computer­modellen, die zu erwartenden Ergebnisse einer Messung simulierten. Anschließend überprüften sie dann, ob sich bei einer realen Messung tatsächlich vergleichbare Ergebnisse erzielen lassen. „Die Resultate aus den Simulationen und die tat­sächlichen Mess­ergebnisse stimmen sehr gut überein“, sagt Grünzweig. Mit dem neuen Verfahren können auch Schwankungen im Magnetfeld nachgewiesen werden. So besitzen auch Dauermagnete, wie sie wohl jeder von Magnet­stickern für die Kühl­schranktür kennt, kein homogenes Magnetfeld. „Mögliche Gradienten können wir nun nachweisen, auch wenn es sich um ein sehr starkes Magnetfeld handelt“, so Physiker Valsecchi.

PSI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Valsecchi et al.: Visualization and quantification of inhomogeneous and anisotropic magnetic fields by polarized neutron grating interferometry, Nat. Commun. 10, 3788 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11590-2
• Labor für Neutronenstreuung und Imaging, Paul Scherrer Institut PSI, Villigen