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 Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik