Auflösung von 100 Nanometern 01.08.2017, 13:00 Uhr

So sieht ein Magnet von innen aus

Forscher fanden Myriaden winziger Kompassnadeln und sogar tornadoartige Strukturen. Die erzeugten Bilder sind weltweit einmalig. Jetzt besteht die berechtigte Hoffnung, dass sich maßgeschneiderte Magnete für Motoren, Generatoren und Datenspeicher entwickeln lassen.

Ein virtueller senkrechter Schnitt durch die Magnet-Probe offenbart ihre innere magnetische Struktur. Die zylinderförmige Probe hat einen Durchmesser von 0,005 mm und der hier gezeigte Abschnitt ist 0,0036 mm hoch. Die magnetische Struktur wird durch Pfeile veranschaulicht. Die Farbe der Pfeile zeigt zusätzlich an, ob sie auf den Betrachter zu (orange) oder vom Betrachter weg (lila) zeigen. 

Ein virtueller senkrechter Schnitt durch die Magnet-Probe offenbart ihre innere magnetische Struktur. Die zylinderförmige Probe hat einen Durchmesser von 0,005 mm und der hier gezeigte Abschnitt ist 0,0036 mm hoch. Die magnetische Struktur wird durch Pfeile veranschaulicht. Die Farbe der Pfeile zeigt zusätzlich an, ob sie auf den Betrachter zu (orange) oder vom Betrachter weg (lila) zeigen. 

Foto: Claire Donnelly/Paul Scherrer Institut

Schweizer Forschern ist ein – virtueller – Tauchgang in einen massiven Magneten gelungen. Erstmals haben sie ein Bild der winzigen Teilmagnete zeichnen können, die sich im Inneren befinden. Gemeinsam sorgen sie für die magnetische Außenwirkung. Das Kalkül der Wissenschaftler um Laura Heyderman, Forscherin am Pauls Scherrer Institut (PSI) in Villigen und Professorin an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich: Wenn man weiß, worauf die magnetische Wirkung eines Materials beruht, kann man dessen Inneres möglicherweise so beeinflussen, dass es effektiver wird. Magnete sind extrem wichtig beim Bau von Elektromotoren, Generatoren und als Speicher in der Datenverarbeitung.

Beschuss mit harten Röntgenstrahlen

Bisher ließen sich die winzigen Teilmagnete nur in hauchdünnen Proben oder an der Oberfläche sichtbar machen. Dass es jetzt zu einem Tauchgang kam, liegt an einer neuen Technik, die das Team um Heyderman nutzte. Sie beschossen die Probe mit harten, also energiereichen Röntgenstrahlen, allerdings scheibchenweise, wie bei der Computertomographie, die zur Diagnose von Krankheiten eingesetzt wird. Magnettomographie nennt sich die Technik.

Die beiden PSI-Forscherinnen Claire Donnelly (li.) und Laura Heyderman. 

Die beiden PSI-Forscherinnen Claire Donnelly (li.) und Laura Heyderman. 

Quelle: Markus Fischer/Paul Scherrer Institut

Die Strahlen lieferte die Synchrotron-Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI. Das Röntgenlicht entsteht, wenn Elektronen in einem Synchrotron (Teilchenbeschleuniger) auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und schließlich auf einen Wellenkurs gezwungen werden. Bei jeder Richtungsänderung entsteht Röntgenstrahlung.

Details mit 100 Nanometern werden sichtbar

Die Probe, ein kleiner Zylinder aus Gadolinium-Kobalt, wurde viele Male aus unterschiedlichen Richtungen durchleuchtet. Die dabei entstehenden Schichtbilder setzten die Forschenden mittels Computerberechnungen und einem am PSI entwickelten neuartigen Rekonstruktionsalgorithmus in eine 3D-Landkarte der Magnetisierung um. Darauf sind Details mit einer Auflösung von 100 Nanometern zu sehen, das ist das Zehntausendste eines Millimeters.

Ineinander verschlungene magnetische Strukturen. Zu sehen ist ein Teil der untersuchten Probe – ein kleiner zylinderförmiger Gadolinium-Kobalt-Magnet. Mittels Magnettomografie gelang Forschenden die Abbildung der innenliegenden magnetischen Muster. Die Magnetisierung ist hier durch Pfeile dargestellt – exemplarisch in einem horizontalen Ausschnitt des Zylinders. 

Ineinander verschlungene magnetische Strukturen. Zu sehen ist ein Teil der untersuchten Probe – ein kleiner zylinderförmiger Gadolinium-Kobalt-Magnet. Mittels Magnettomografie gelang Forschenden die Abbildung der innenliegenden magnetischen Muster. Die Magnetisierung ist hier durch Pfeile dargestellt – exemplarisch in einem horizontalen Ausschnitt des Zylinders. 

Quelle: Claire Donnelly/Paul Scherrer Institut

„Mit unseren jetzigen Bildern können wir richtiggehend in das magnetische Material eintauchen: Wir sehen und verstehen die dreidimensionale Anordnung der winzigen magnetischen Kompassnadeln“, so Heyderman. Diese Kompassnadeln beeinflussen sich gegenseitig. Es entstehen bestimmte Muster, die das gesamte magnetische Objekt durchziehen. Die Forscher erkannten magnetische Domänen, also Regionen mit gleicher magnetischer Ausrichtung, und Domänenwände, die zwei solcher Domänen voneinander trennen.

Sie beobachteten zudem magnetische Wirbel, deren Form derjenigen eines Tornados gleicht. „Diese Strukturen zu sehen, wie sie sich zu einem komplexen dreidimensionalen Netzwerk zusammenfügen, war wirklich schön und eindrucksvoll“, begeistert sich Claire Donnelly, die zum Forscherteam gehört.

Maßgeschneiderte Magnete in Sicht

Außerdem konnten die Wissenschaftler so genannte Bloch-Punkte identifizieren. Das sind winzig kleine Anomalien. Hier ändern die einzelnen Kompassnadeln abrupt ihre Richtung.

Darstellung eines Bloch-Punktes, den die Wissenschaftler in ihren Daten entdeckten. Ein Bloch-Punkt enthält eine magnetische Singularität, bei der sich die Richtung der Magnetisierung abrupt ändert. Innerhalb des hier gezeigten Bloch-Punktes erfolgt dieser Richtungswechsel von nach oben zeigenden Magnetnadeln – dargestellt durch Pfeile – zu nach unten zeigenden. Diese Singularität ist von einem Wirbel der Magnetisierung umgeben, dessen Form derjenigen eines Tornados ähnelt. 

Darstellung eines Bloch-Punktes, den die Wissenschaftler in ihren Daten entdeckten. Ein Bloch-Punkt enthält eine magnetische Singularität, bei der sich die Richtung der Magnetisierung abrupt ändert. Innerhalb des hier gezeigten Bloch-Punktes erfolgt dieser Richtungswechsel von nach oben zeigenden Magnetnadeln – dargestellt durch Pfeile – zu nach unten zeigenden. Diese Singularität ist von einem Wirbel der Magnetisierung umgeben, dessen Form derjenigen eines Tornados ähnelt. 

Quelle: Claire Donnelly/Paul Scherrer Institut

Bloch-Punkte wurden schon vor über 60 Jahren vorhergesagt, konnten so bis zu dieser Studie aber nie direkt beobachtet werden. Womöglich lassen sich dank der nun vorgestellten Methode eines Tages bessere, maßgeschneiderte Magnete erschaffen, was wiederum viele alltägliche Anwendungen weiter verbessern würde.

Den weltweit kleinsten Magneten haben wir Ihnen hier vorgestellt. Er wurde von Wissenschaftlern im kalifornischen IBM Forschungszentrum in Almaden mit Hilfe eines einzelnen Atoms hergestellt.

Von Wolfgang Kempkens

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