Spektrum der Wissenschaft - Oktober 2017

FORSCHUNG AKTUELL

PAUL-SCHERRER-INSTITUT / CLAIRE DONNELLY

BILDGEBUNG

EINBLICK INS INNERE

EINES MAGNETEN

Mit einer neuen Technik zeigen Forscher die drei-

dimensionale Anordnung der Spins innerhalb eines

Festkörpers. Die Methode könnte zum besseren

Verständnis magnetischer Werkstoffe beitragen und

den Weg zu leistungsfähigeren Datenspeichern

weisen.

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Die magnetischen Eigenschaften eines Materials sind

entscheidend für zahlreiche technische Anwendungen,

insbesondere für Speichermedien. Sie hängen von den

Spins der enthaltenen Elektronen ab, also ihren quantenme-

chanischen Drehmomenten. Deren Wechselwirkungen sind

allerdings kompliziert: Der Spin ist ein Vektor und hat somit

anders als beispielsweise die Ladung nicht nur einen Betrag,

sondern zugleich eine Richtung. Das verursacht auf mikro-

skopischer Ebene verschiedenste Effekte. Sie zu verstehen

und Anordnungen von Spins möglichst genau zu untersu-

chen, ist von immenser wissenschaftlicher und technolo-

gischer Bedeutung. Nun hat die Physikerin Claire Donnelly

gemeinsam mit ihren Kollegen vom schweizerischen Paul

Scherrer Institut gezeigt, wie eine spezielle Methode der

Röntgenmikroskopie solche Einblicke ermöglichen könnte.

Heutige Datenspeicher basieren auf Effekten, die sich

auf der Oberfläche dünner magnetischer Schichten abspie-

len. Doch infolge der Miniaturisierung bei gleichzeitig stetig

wachsenden Datenmengen nimmt die Notwendigkeit zu,

den Platz in Trägermedien möglichst optimal zu nutzen –

und dazu gehört ein immer tieferes Vordringen in ihre

dritte Dimension. Der Vektorcharakter von Spins macht

deren räumliches Verhalten wesentlich schwieriger bere-

chenbar als das von einfachen Ladungsträgern. Vermutlich

warten darum im Bereich magnetischer 3-D-Bauteile viele

einzigartige Materialeigenschaften mit ganz neuen poten-

ziellen Einsatzmöglichkeiten auf ihre Entdeckung.

Dabei könnte polarisiertes Röntgenlicht eine zentrale

Rolle spielen. Es hat eine genau festgelegte Schwingungs-

richtung und eignet sich gut dazu, die Eigenschaften mag-

netischer Materialien zu untersuchen: Die Polarisierung

führt abhängig von der Ausrichtung des jeweiligen Spins zu

charakteristischen Wechselwirkungen. Röntgenstrahlung

durchdringt darüber hinaus selbst mikrometerdicke Proben

sehr gut und ermöglicht durch ihre kleine Wellenlänge eine

hohe potenzielle Auflösung – die prinzipielle Grenze für die

Bildgebung liegt bei Bruchteilen von Nanometern.

Im Lauf des letzten Jahrzehnts gelangen Forschern so

zweidimensionale Aufnahmen mit einer Auflösung von

rund zehn Nanometern. Computerprogramme setzen viele

Bilder aus unterschiedlichen Winkeln sogar zu dreidimen-

sionalen Ansichten zusammen. Diese Tomografie genann-

te Technik findet bereits breite Anwendung in der Biologie

und Materialwissenschaft.

Analog zu optischen Lasern ist eine entscheidende Ei-

genschaft von Röntgenlasern ihre Kohärenz, das heißt ein

gleich bleibender Abstand zwischen den Wellenbergen und

-tälern im Licht des Strahls. Dank ihr lassen sich mit Com-

puteralgorithmen kleinste Details der untersuchten Proben

aus den Detektorbildern berechnen. In jüngster Zeit kon-

zentrieren sich immer mehr Forscher auf hoch entwickelte

Verfahren, die aus den Aufnahmen möglichst viele Daten

über die gestreuten Photonen gewinnen. Damit wollen sie

der prinzipiellen Auflösungsgrenze im Nanometerbereich

noch näher kommen. Zu den nutzbaren Informationen

gehört nicht nur die direkt am Detektor messbare Intensi-

tät, sondern auch die unsichtbare und nur indirekt zugäng-

liche Phase der Lichtwelle, das heißt ihre wechselnde

Auslenkung an verschiedenen Punkten in der Probe. Sie

muss nachträglich schrittweise aus vielen Bildern rekon-

struiert werden. Das ist nur möglich, weil die Einzelaufnah-

men durch die Kohärenz miteinander zusammenhängen.

Sie lassen gemeinsam umso bessere Rückschlüsse auf die

innere Struktur des Objekts zu, je mehr von ihnen es gibt.

Ein Computerprogramm errechnet aus zahlreichen

Beugungsmustern eine 3-D-Karte der Spins

Der Ansatz von Donnelly und ihren Kollegen basiert auf

einer solchen iterativen Technik, der »Ptychografie«. Die

Forscher untersuchten einen zylinderförmigen, fünf Mikro-

meter dicken Magneten aus einer Gadolinium-Kobalt-

Legierung. Dazu schossen sie durch ihn einen Strahl

polarisierter Röntgenstrahlung hindurch und zeichneten

das Beugungsmuster mit einem dahinterliegenden Detek-

tor auf. Die Wissenschaftler führten Messungen an vielen

überlappenden Stellen der Probe durch und drehten diese

dabei. Anschließend kippten sie den Zylinder um 30 Grad

und wiederholten die Prozedur. Danach fütterten sie ein

Ein virtueller senkrechter Schnitt durch den fünf Mikrometer

dicken Metallzylinder zeigt die Ausrichtung der magnetischen

Momente in der Ebene.