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3D-Film zeigt Wogen und Wirbel im Inneren eines Magneten

24.02.2020

Magnete umgeben uns im Alltag, von Datenspeicherung über Energieproduktion bis hin zu Elektromotoren. Was genau in Magneten im Nanometerbereich vor sich geht, ist allerdings noch rätselhaft. Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich haben neue Einblicke gewonnen, die den Weg für effizientere Datenspeicher ebnen könnten.

Unvorstellbar klein, aber doch wichtig: Auf einer Skala von Millionstel Millimetern sind magnetische Strukturen und ihr Verhalten noch mit vielen Fragen behaftet. Relevant sind diese Vorgänge jedoch für zukünftige Technologien wie effizientere Datenspeicher. Die Schweizer Forscher haben mit britischen Kollegen nun erstmals einen kurzen 3D-Film der magnetischen Struktur eines Materials im Nanometerbereich aufgenommen.

Die Forschenden um Claire Donnelly und Manuel Guizar-Sicairos nutzten eine erst vor kurzem am PSI entwickelte tomografische Methode, die sogenannte "zeitaufgelöste ptychografische Laminografie", wie das Forschungsinstitut mitteilte. Ähnlich wie bei einem medizinischen CT-Scan werden dabei mit Röntgenstrahlen viele Durchleuchtungsbilder nacheinander und aus leicht unterschiedlichen Richtungen aufgenommen. Mit dieser Methode durchleuchteten die Forschenden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI eine Gadolinium-Kobalt-Verbindung in Form einer runden Scheibe.

Winzige Kompassnadeln

Aus den Daten rekonstruierten sie die innere magnetische Struktur des Materials: An jedem Messpunkt im Material bestimmten sie die Ausrichtung des magnetischen Moments und stellten diese als eine Art winzige magnetische Kompassnadel dar. Sieben dreidimensionale Momentaufnahmen, für die sie über vier Tage lang Daten erhoben, setzten sie anschließend zu einer Art Kurzfilm zusammen. Davon berichten sie im Fachblatt "Nature Nanotechnology".

Die magnetischen Momente im Material - die Mini-Kompassnadeln - reagieren auf externe Magnetfelder und wechselwirken miteinander. So bilden sie Muster, die das gesamte Objekt durchziehen, wie das PSI schrieb. Dabei bilden sich Domänen, in denen die Kompassnadeln überwiegend in eine bestimmte Richtung zeigen, und Übergänge zwischen solchen Domänen.

Interesse an Domänengrenzen

Diese Domänengrenzen sind dabei für die Forschung 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", erklärte Donnelly. Seit kurzem lassen sich diese Domänengrenzen im Detail und dreidimensional sichtbar machen, nun allerdings erstmals quasi "in Bewegung". Im Kurzfilm der PSI-Forschenden wird sichtbar, wie eine Domänengrenze hin und her wandert.

Diese Bewegung lösten die Wissenschafter durch ein gezielt von außen angelegtes Magnetfeld in einer Zeitschleife immer wieder aus, um die notwendigen Daten für die einzelnen Momentaufnahmen zu sammeln. Sie stellen Zeitpunkte mit einem Abstand von einer viertelmilliardstel Sekunde dar, sind aber nicht wirklich in diesem Abstand aufgenommen worden, wie das PSI festhielt.

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