Magnetische Nanowirbel

Im Bereich von Nanometern geben magnetische Strukturen und ihr Verhalten Physikern immer noch Rätsel auf. Doch was auf dieser kleinen Skala geschieht, ist hoch relevant für zukünftige Techno­logien. Forschern des Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz ist es erstmals gelungen, magnetische Vorgänge im Nanometer­bereich drei­dimen­sional aufzu­nehmen. Der 3D-Film zeigt eine Vielzahl von Dynamiken im Material, darunter die Bewegung von wirbel­förmigen Grenzen zwischen verschiedenen magne­tischen Domänen. Die Einsichten wurden mit einer Methode erzielt, die an der Synchrotron-Licht­quelle Schweiz SLS neu entwickelt wurde. Sie könnte helfen, magnetische Daten­speicher kompakter und effi­zienter zu machen.

Die Forscher nutzten das Röntgenlicht der SLS und eine spezielle, dort erst vor Kurzem entwickelte, tomo­graphische Methode, die „zeit­aufge­löste ptycho­graphische Lamino­graphie“. Die unter­suchte Probe war eine Gadolinium-Kobalt-Verbindung in Form einer runden Scheibe. „Mit unserer Methode können wir zerstörungs­frei das Material durch­leuchten und aus den Daten mehrere aufein­ander­folgende 3D-Bilder der inneren magne­tischen Struktur rekon­struieren“, sagt Manuel Guizar-Sicairos vom PSI. „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 gesamte Objekt durch­ziehen. Dabei bilden sich Domänen, in denen die Magneti­sierung über­wiegend in eine bestimmte Richtung zeigt. Die Über­gänge zwischen zwei solchen Bereichen, also die Domänen­grenzen, sind für Forscher besonders interes­sant. „Es gibt bereits Ideen, diese als Speicherbits zu nutzen, mit denen sich Daten womöglich noch enger packen ließen, als wenn man die Domänen selbst nutzt“, so Claire Donnelly vom PSI. Wie diese Domänen­grenzen im Detail aussehen, lässt sich in 3D erst seit Kurzem und mit hoch­modernen Bild­gebungs­methoden sichtbar machen.

In ihrer neuen Studie gingen die Forscher noch einen Schritt weiter, indem sie die Bewegung sowohl von Domänen als auch von Domänen­grenzen abbildeten. Die Wissen­schaftler haben sieben Moment­aufnahmen gemacht, deren Zeit­punkte jeweils nur eine viertel­milliardstel Sekunde ausein­ander­liegen. Darauf ist zu erkennen, wie eine Domänen­grenze hin und her wandert. Etwas mehr als vier­ein­alb Tage dauerte die reine Daten­erhebung, die nachher diese Sequenz aus sieben Bildern ergab.

Die beobachtete Bewegung der Domänen­grenze haben die Forscher selbst durch ein extern angelegtes Magnetfeld gezielt wieder­holt hervor­gerufen. Die Bilder sind also nicht tatsäch­lich im Abstand von einer viertel­milliardstel Sekunde aufge­nommen worden. Statt­dessen erzeugten die Forscher eine Zeit­schleife aus einem sich wieder­holend verändernden magne­tischen Feld und nahmen darin zu verschiedenen Zeit­punkten Bilder auf – ähnlich wie Strobo­skop­licht, das eine sich wieder­holende Bewegung scheinbar verlangsamt.

Die Aufnahme der 3D-Bilder aus dem Inneren der Probe wiederum basiert auf einem Grund­prinzip der Computer­tomo­graphie. 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 Forscher 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“, so 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 Guizar-Sicairos ergänzt: „Unsere neue Methode ist auch für andere Materialien geeignet und könnte damit in Zukunft noch weitere nützliche Anwendungen haben.“

PSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Donnelly et al.: Time-resolved imaging of three-dimensional nanoscale magnetization dynamics, Nat. Nanotech., online 24. Februar 2020; DOI: 10.1038/s41565-020-0649-x
• FG Kohärente Röntgenstreuung, Paul-Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz