Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

Ultrakurze Laserblitze ermöglichen heutzutage die Beobachtung von extrem schnellen Bewegungsabläufen auf mikroskopisch kleinen Längenskalen. Das dabei zugrundeliegende Prinzip ähnelt dem Fotografieren von schnell bewegten Objekten mit Blitzlicht.

Forschern der Universität Göttingen ist es in Zusammenarbeit mit der Universität Augsburg und dem Technion in Israel nun gelungen, kleinste magnetische Domänenstrukturen mit extrem-ultravioletten Laserblitzen abzubilden und somit den Weg für ultraschnelle magnetische Bildgebungsverfahren im Labormaßstab zu ebnen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen.

Untersuchungen von magnetischen Ordnungen in Festkörpern auf der Nanoskala spielen unter anderem bei der Entwicklung neuer Datenspeicher in der Informationstechnologie eine große Rolle. Dabei ist vor allem die Erforschung dynamischer Prozesse wichtig, um die Änderung von Ordnungszuständen, wie etwa bei Schaltvorgängen, beschreiben und steuern zu können.

Eine neuartige Methode zur mikroskopischen Bildgebung solcher Phänomene basiert auf der Verwendung zirkular polarisierten Lichts, das empfindlich für die Magnetisierung von Materialien ist und daher für die Mikroskopie magnetischer Strukturen verwendet werden kann. Um eine hinreichende Auflösung im relevanten Größenbereich der magnetischen Strukturen zu erreichen, sind Lichtwellenlängen im Bereich von unter zehn Nanometern notwendig. Bis vor kurzem war jedoch zirkular polarisiertes Licht dieser Wellenlängen großen Teilchenbeschleunigern wie Synchrotronen und Freien-Elektronen-Lasern vorbehalten.

Das Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Claus Ropers konnte nun erstmalig hochauflösende Abbildungen magnetischer Strukturen mit einer Lichtquelle im Labormaßstab realisieren. Ein wesentlicher Schlüssel zum Erfolg war die Verwendung von zirkular polarisierter Hoher Harmonischer Strahlung, für deren Erzeugung eine erst kürzlich am Technion in Isreal entwickelte Methode zum Einsatz kam.

„Die Verwendung von Licht zur Abbildung ist sehr grundlegend und vielseitig,“ erklärt Dr. Ofer Kfir, einer der Autoren der Studie. „Mithilfe des sogenannten Polarisationskontrasts, der in der Lichtmikroskopie bereits seit langem eine wichtige Messgröße ist, können wir nun unter Verwendung der kürzeren Wellenlängen magnetische Phänomen mit sehr hoher Auflösung im Nanometerbereich untersuchen.“

Allerdings ähnelt die Suche nach dem magnetischen Kontrast der Suche nach der Nadel im Heuhaufen, da das magnetische Signal deutlich kleiner als das nicht-magnetische Signal sei. Das Forscherteam nutzte daher einen Trick, um das magnetische Signal zu verstärken: Während Teile des Lichtstrahls transmittiert und an der magnetischen Probe gestreut werden, wird ein anderer Teil des Lichtstrahls unbeeinflusst von den magnetischen Strukturen nach der untersuchten Probe mit dem gestreuten Licht überlagert. Durch die Interferenz beider Teilstrahlen konnte das schwache magnetische Signal bis zu 100-fach verstärkt werden – man könnte auch sagen, die Nadel im Heuhaufen wurde zum Leuchten gebracht.

„Das Konzept der Signalverstärkung durch zusätzliche Referenz-Strahlen hat einen weiten Anwendungsbereich und verringert die Anforderungen an die Helligkeit der Lichtquelle”, so Dr. Sergey Zayko, Ko-Autor der Studie. „Zusätzlich ermöglicht uns die kurze Pulsdauer des Lichts von wenigen Femtosekunden das Erstellen von Zeitlupenaufnahmen der dynamischen Prozesse in den magnetischen Strukturen auf der Nanoskala.“ Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass zahlreiche physikalische Fragestellungen von solch einem zeitaufgelösten, bildgebenden Verfahren profitieren werden.

Originalveröffentlichung: Kfir, Zayko et al. Nanoscale magnetic imaging using circularly polarized high-harmonic radiation. Science Advances December 2017. Doi: 10.1126/sciadv.aao4641.

Kontakt:
Dr. Ofer Kfir und Dr. Sergey Zayko
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät Physik – IV. Physikalisches Institut und Institut für Röntgenphysik
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Tel. +49 551 39-12240
Email: sergey.zayko@uni-goettingen.de, ofer.kfir@phys.uni-goettingen.de

http://www.uni-goettingen.de/en/576551.html