Nanomagnetismus im Röntgenlicht

Links: Röntgenmikroskopische Aufnahme eines magnetischen Skyrmions Rechts: Schnappschuss der Spinwellen, die von einem magnetischen Plättchen durch Mikrowellenanregung erzeugt werden © MPI-IS Stuttgart

Das Rasterröntgenmikroskop MAXYMUS ist an der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin beheimatet. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgt durch Dr. Markus Weigand aus der Abteilung „Moderne Magnetische Systeme“ des Max-Planck-Institutes für Intelligente Systeme (MPI-IS), unter Leitung von Frau Professor Dr. Gisela Schütz.

MAXYMUS steht für „MAgnetic X-raY Micro- and UHV Spectroscope“. Das Besondere an diesem Rasterröntgenmikrospektroskop ist dabei seine variable Probenumgebung und sein breites Anwendungsspektrum. „Man kann dabei ultraschnelle Prozesse mit einer über 20 mal besseren Auflösung im Vergleich zum Lichtmikroskop beobachten“, erläutert Professor Dr. Gisela Schütz.

„Neben dieser Kombination von Orts- und Zeitauflösung ist die extrem hohe Empfindlichkeit auf den Magnetismus von Nanostrukturen einzigartig“. Im Bereich der Untersuchung zur Magnetisierungsdynamik von Nanostrukturen hält die Abteilung den Weltrekord in dieser Kombination von Zeit (10 Pikosekunden, d.h. 100 Milliarden Bilder pro Sekunde) und Ortsauflösung (15 Nanometer = 0,000 015 mm).

„Unseren Nutzern stehen mit MAXYMUS damit äußerst attraktive Experimentiermög-lichkeiten für Untersuchungen nicht nur im Bereich des Magnetismus zur Verfügung“ erläutert Dr. Markus Weigand, der als Max-Planck-Gruppenleiter in Berlin das leistungsstarke Röntgenmikroskop betreut und stetig weiterentwickelt.

Auch Forscher aus anderen Bereichen, die z.B. die Zusammensetzung von Schadstoffpartikeln in der Atmosphäre oder die Nanochemie von nanoskopischen Lithiumbatteriepartikeln untersuchen möchten, finden hier Antworten auf brennende Fragen. Die Leistungen von MAXYMUS können auf Antrag von externen Nutzern in Anspruch genommen werden. Zahlreiche langjährige Kooperationen mit Wissenschaftlern verschiedenster Forschungseinrichtungen sind auf diesem Weg entstanden und die Nachfrage nach der Belegung von „Strahlzeiten“ an MAXYMUS wächst kontinuierlich.

Aber gerade im Bereich des Nanomagnetismus erregen seit Kurzem neue spannende Phänomene sowie technologische Konzepte Aufsehen, die mit der erforderlichen Schnelligkeit und räumlichen Schärfe nur im MAXYMUS “beleuchtet“ werden können.

Aus der erfolgreichen Zusammenarbeit von Max-Planck Forschern und externen Wissenschaftlern wie z.B. des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der Universität Mainz, dem Paul-Scherrer Institut in Villingen in der Schweiz und dem CNRS in Paris resultierten im Jahr 2016 mehrere hochrangige Publikationen in den renommierten Zeitschriften Nature Physics, Nature Materials und Nature Nanotechnology.

Sie beinhalten grundlegende Studien zum Bereich der sogenannten Magnonik. Die ultraschnellen und kurzwelligen Spinwellen (im Teilchenbild Magnonen) sollen eine strom- und damit energiesparende Datenprozessierung ermöglichen, die durch die heutige ausgefeilte Mikrowellentechnik gesteuert werden kann. „Diese Spinwellen sichtbar zu machen, vergleichbar zu Wellen, die ein Stein erzeugt, der ins Wasser fällt, ist selbst für einen Wissenschaftler sehr beeindruckend“ erklärt Dr. Sebastian Wintz vom PSI in Villigen, Schweiz (siehe Abb.).

Ebenso spektakulär ist die Beobachtung der Entstehung und Manipulation von sog. Skyrmionen, magnetischer Wirbel, die sich wie Teilchen endlicher Masse verhalten und mit minimalen Strömen gesteuert werden können (siehe Abb.). Auch hier wird in den unzähligen Beiträgen auf entsprechenden internationalen Konferenzen die Relevanz für eine zukünftige Anwendung auf dem Gebiet der Informationstechnologie heiß diskutiert. Kai Litzius, Doktorand am Lehrstuhl von Prof. Kläui in Mainz, führt aus: „Indem wir die Bewegung einzelner kleinster Skyrmionen beobachten können, lernen wir Wichtiges über deren fundamentalen magnetischen Wechselwirkungen.“

Mit der geplanten Verkürzung der Röntgenlichtpulse, die von BESSY II in den nächsten Jahren realisiert werden sollen, und die erheblich größere Ortauflösung durch Nutzung der Streuung von Röntgenstrahlen ließe sich die Genauigkeit des MAXYMUS um Größenordnungen verbessern. „„Die heutigen attraktiven Möglichkeiten lassen sich im Prinzip noch erheblich optimieren. Wir haben noch lange nicht die physikalischen Grenzen erreicht.“ sagt Dr. Markus Weigand voraus.

Publikationen:

S. Wintz, V. Tiberkevich, M. Weigand, J. Raabe, J. Lindner, A. Erbe, A. Slavin, J. Fassben-der, „Magnetic vortex cores as tunable spin-wave emitters“,
Nature Nanotechnology, 2016, (DOI: 10.1038/nnano.2016.117)

Kai Litzius, Ivan Lemesh, Benjamin Krüger, Pedram Bassirian, Lucas Caretta, Kornel Richter Felix Büttner, Koji Sato, Oleg A. Tretiakov, Johannes Förster, Robert M. Reeve, Markus Weigand, Iuliia Bykova, Hermann Stoll, Gisela Schütz, Geoffrey S.D. Beach and Mathias Kläui, „Skyrmion Hall effect revealed by direct time-resolved X-ray microscopy“, Nature Physics, 2017 (DOI: 10.1038/nphys4000)

Seonghoon Woo, Kai Litzius, Benjamin Krüger, Mi-Young Im, Lucas Caretta, Kornel Rich-ter, Maxwell Mann, Andrea Krone, Robert M. Reeve, Markus Weigand, Parnica Agrawal, Ivan Lemesh, Mohamad-Assaad Mawass, Peter Fischer, Mathias Kläui and Geoffrey S.D. Beach, „Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets”
Nature Materials, 2016 (DOI: 10.1038/nmat4593)

C. Moreau-Luchaire, C.Moutafis, N. Reyren, J.Sampaio, C.A.F. Vaz, N.Van Horne, K. Bouzehouane, K.Garcia, C. Deranlot, P. Warnicke, P. Wohlhüter,J.-M. George, M. Weigand, J.Raabe, V.Cros and A.Fert, “Additive interfacial chiral interaction in multi-layers for stabilization of small individual skyrmions at room temperature”
Nature Nanotechnology, 2016 (DOI: 10.1038/nnano.2015.313)

http://www.is.mpg.de/de/schuetz

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Annette Stumpf Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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