Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Verdrehtes Röntgenlicht verrät Spinwellen

21.03.2014

Schlaue Radarfalle für Atome ermöglicht Untersuchung der Magnetspeicher von morgen

Eine neuartige Radarfalle für Atome kann bisher nicht sichtbare Details der magnetischen Dynamik von Materialien beobachten. Das von DESY-Forscher Prof. Ralf Röhlsberger vorgeschlagene Konzept erweitert die Möglichkeiten der sogenannten inelastischen Röntgenspektroskopie. Es lässt sich insbesondere zur Beobachtung von wellenförmigen Anregungen in magnetischen Materialien einsetzen, sogenannten Spinwellen.


Linear polarisiertes Röntgenlicht (grün) trifft auf die Probe (rot), wo eine Spinwelle die Polarisation in eine spiralförmige Präzession versetzt, die von einem Polarisator (rechts) analysiert wird.

Bild: Ralf Röhlsberger/DESY

Das Messprinzip, das diese Woche im Fachjournal "Physical Review Letters" vorgestellt wird, umgeht Probleme bisher vorhandener Analysemethoden und könnte mittelfristig sogar erlauben, mit einem einzigen Röntgenblitz die ganze magnetische Dynamik eines Systems zu erfassen. So können beispielsweise schnelle Schaltprozesse in magnetischen Speichern der Zukunft untersucht werden.

Strahlt man Röntgenlicht auf Atome, die sich in Bewegung befinden, ändert sich bei der Streuung der Strahlung an diesen Atomen die Energie und damit die Wellenlänge des Lichts. Auf diesem Prinzip, dem sogenannten Dopplereffekt, beruht die Methode der inelastischen Röntgenstreuung.

Ähnlich wie bei einer Radarfalle, bei der durch eine Wellenlängenveränderung der Radarstrahlung die Geschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs bestimmt wird, können atomare Bewegungen wie Gitterschwingungen in Kristallen mit Hilfe des intensiven Röntgenlichts aus Teilchenbeschleunigern untersucht werden. Das Problem: Die Energie des eingestrahlten Lichts ändert sich bei der Streuung nur minimal – um etwa den milliardsten Bruchteil seiner Energie.

Deshalb kann für solche Experimente nur Licht aus einem sehr schmalen Energie- bzw. Wellenlängenbereich eingesetzt werden. Die Röntgenstrahlung, die ein Teilchenbeschleuniger zur Verfügung stellt, hat jedoch ein breites Energiespektrum.

Der allergrößte Teil dieser Synchrotronstrahlung muss also ausgeblendet werden und wird gar nicht genutzt. Als Folge kann die Intensität des nutzbaren Lichts trotz stärkster Röntgenquellen so schwach werden, dass diese Experimente nicht mehr durchführbar sind.

Einen Ausweg aus dieser Situation bietet eine neue Untersuchungsmethode, die Prof. Ralf Röhlsberger vorschlägt: Statt die Energiedifferenz beim Streuprozess zu messen, nutzt seine Methode zur Energieanalyse einen weiteren, bisher wenig beachteten Einfluss der untersuchten Probe auf die Polarisation der gestreuten Strahlung. Bei der inelastischen Streuung von Röntgenlicht an einer magnetischen Probe wird nämlich nicht nur die Energie der eingestrahlten Photonen verändert, sondern es wird auch die Ausrichtung ihrer Polarisationsebene verdreht:

Die Spinwellen in der beobachteten Probe versetzen die Polarisation, d.h. die Schwingungsebene der gestreuten Photonen in eine Art Kreiselbewegung, auch Präzession genannt. „Diese Kreiselbewegung ist ebenso charakteristisch für die magnetischen Anregungen im System wie die Energieverschiebung bei der konventionellen Methode“, erklärt Röhlsberger, der auch an der Universität Hamburg lehrt und Mitglied des Exzellenzclusters Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) ist. „Misst man diese Präzession im Verhältnis zum eingestrahlten Referenzstrahl, hat man einen Fingerabdruck des Spektrums der Spinwellen in der Probe.“

Der große Vorteil des Konzepts ist, dass statt eines sehr schmalen Energiebereichs ein wesentlich breiteres Energieband zur Untersuchung genutzt werden kann, ohne die Messgenauigkeit zu verlieren. Ein Messprinzip mit ähnlichen Eigenschaften für Streuexperimente mit Neutronen, das sogenannte Neutronen-Spinecho, wird seit langem eingesetzt, um dynamische Prozesse in Festkörpern mit höchster Energieauflösung zu untersuchen.

Mit Neutronen ist so eine Methode allerdings viel einfacher zu realisieren, weil sich jede Energieänderung direkt auf deren Geschwindigkeit auswirkt, aus der man dann exakt die Energie bestimmen kann. Auf Photonen lässt sich die Methode nicht direkt übertragen, da diese, unabhängig von ihrer Energie, stets mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. „Deshalb habe ich für Photonen nach einer spektroskopischen Methode gesucht, bei der die Energieauflösung nicht von der Bandbreite der verwendeten Strahlung abhängt“, sagt Röhlsberger.

Erste Versuche zur experimentellen Realisierung dieser neuen Methodik, die Röhlsberger und sein Team an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF durchführten, haben vielversprechende Ergebnisse geliefert. Ist das Messverfahren etabliert, ergeben sich weitreichende Anwendungsmöglichkeiten, angefangen von magnetischen Schaltvorgängen bis hin zu den Anregungsspektren von künstlich strukturierten magnetischen Festkörpern für die magneto-optische Informationstechnologie. Insbesondere die niederenergetische Dynamik von komplexen magnetischen Materialien gibt den Forschern heute noch Rätsel auf, die mit Hilfe dieser neuen Methode gelöst werden können.

„Die Methode eignet sich aber nicht nur für Synchrotronlichtquellen wie PETRA III, sondern auch für Untersuchungen mit Röntgenlasern wie dem European XFEL, der zurzeit vom DESY-Gelände in Hamburg-Bahrenfeld bis ins benachbarte Schenefeld in Schleswig-Holstein gebaut wird. Die Idee ist, dass wir am Ende mit einem einzigen Lichtblitz aus dem European XFEL die ganze Dynamik eines magnetischen Systems erfassen können.“

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung
“Photon Polarization Precession Spectroscopy for High-Resolution Studies of Spin Waves”; Ralf Röhlsberger; Physical Review Letters, Bd. 112, Nr. 11, 21.3.2014; DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.117205 (online vorab am 18.3.2014)

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Auf dem Weg zur optischen Kernuhr
19.04.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus
18.04.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

20.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Digitale Medien für die Aus- und Weiterbildung: Schweißsimulator auf Hannover Messe live erleben

20.04.2018 | HANNOVER MESSE

Neurodegenerative Erkrankungen - Fatale Tröpfchen

20.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics