Bildgebung mit Neutronen: Magnetische Domänen erstmals in 3-D sichtbar

Obwohl sie in fast jedem magnetischen Material zu finden sind, kann man sie nicht sehen: Magnetische Domänen sind mikroskopisch kleine, magnetisierte Bereiche. Jedes magnetische Material, ist in solche Domänen aufgeteilt. Wissenschaftler nennen sie „Weiss´sche Bezirke“, nach dem Physiker Pierre-Ernest Weiss, der ihre Existenz vor über hundert Jahren theoretisch vorhergesagt hatte. 1907 erkannte er, dass die magnetischen Momente der Atome innerhalb eines begrenzten Bezirks gleich ausgerichtet sind.

Diese Theorie konnte bislang nur mit zweidimensionalen Bildern und an Materialoberflächen nachverfolgt werden. Dr. Ingo Manke und sein Team am Institut Angewandte Materialforschung des HZB haben gemeinsam mit Kollegen der Bundesanstalt für Materialforschung und dem Paul-Scherrer Institut eine Methode entwickelt, mit der sie die magnetischen Domänen vollständig in ihrer räumlichen Struktur darstellen können – auch im Materialinneren. Dafür wurden am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden spezielle Eisensilizium-Kristalle hergestellt, für deren innere Domänenstruktur die Forscher in der Arbeitsgruppe von Dr. Schäfer bereits Modellvorstellungen entwickelt hatten, deren tatsächliche Existenz nun erstmals nachgewiesen werden konnte. Damit lösen die Forscher ein Jahrzehnte altes Problem in der Bildgebung. Sie publizieren dies in der Zeitschrift Nature Communications (DOI: 10.1038 /ncomms1125).

Die meisten magnetischen Stoffe bestehen aus einem komplexen Netzwerk magnetischer Domänen. Die von den Wissenschaftlern entwickelte Methode nutzt die Bereiche aus, in denen die Bezirke aneinanderstoßen – sogenannte Domänengrenzen. Innerhalb einer Domäne sind alle magnetischen Momente gleich, von Domäne zu Domäne ist die magnetische Ausrichtung aber verschieden. An jeder Domänengrenze wechselt also die Richtung des Magnetfeldes. Diese Änderungen nutzen die Forscher für ihr radiografisches Verfahren, bei dem sie statt Licht Neutronen verwenden.

Magnetische Felder lenken die Neutronen in ihrer Flugrichtung leicht ab, genauso wie Licht in Wasser abgelenkt wird: Einen Gegenstand im Wasser kann man daher nicht direkt erkennen. Das Objekt erscheint verzerrt und an einem anderem Ort. In ähnlicher Weise überqueren die Neutronen auf ihrem Weg durch das magnetische Material Domänengrenzen. An diesen werden sie in verschiedene Richtungen abgelenkt.

Die Ablenkung ist allerdings ein sehr schwacher Effekt. Im Neutronen-Radiogramm ist er gewöhnlich nicht sichtbar, weil er von nicht abgelenkten Strahlen überlagert wird. Die Forscher setzten daher mehrere Beugungsgitter ein, um die abgelenkten Strahlen zu separieren. Während der Messung drehen sie die Probe und durchleuchten sie aus allen Richtungen. Aus den separierten Strahlen können sie alle Domänenformen berechnen und das Domänen-Netzwerk vollständig abbilden.

Magnetische Domänen sind wichtig, um Materialeigenschaften und physikalische Naturgesetze zu verstehen. Auch im Alltag spielen sie eine wichtige Rolle: vor allem in Speichermedien wie Festplatten und Ladegeräten, beispielsweise für Laptops oder Elektrofahrzeuge. Wählt man die Eigenschaften der Domänen so, dass möglichst wenig Strom an den Domänengrenzen verloren geht, werden die Speichermedien leistungsfähiger.