Starke Magnetfelder mit Neutronen sichtbar machen

Das Gerät zur Bestimmung der Ausrichtung des Magnetfeldes funktioniert wie ein Kompass. Das rote Ende des blau-roten Stifts zeigt in Richtung des Nordpols. Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Neutronen sind, wie ihr Name schon sagt, nach aussen hin elektrisch neutral und Bausteine fast aller Atomkerne. Aufgrund ihrer Eigenschaft, einen sogenannten Spin zu besitzen, treten Neutronen mit Magnetfeldern in Wechselwirkung.

Dass sich diese Eigenschaft für das Sichtbarmachen von Magnetfeldern nutzen lässt, haben jetzt Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI gezeigt. Dazu nutzten sie polarisierte Neutronen, also alle Neutronen mit einheitlichem Spin.

Durchlaufen Strahlen polarisierter Neutronen ein Magnetfeld, so lässt sich hinter diesem Feld eine Brechung des Neutronenstrahls detektieren. Aus dem Brechungsmuster wiederum kann man das Magnetfeld und insbesondere Unterschiede der Feldstärken rekonstruieren. Erstmals wurden mit dieser Methode, auch bekannt als polarisierte Neutronengitter-Interferometrie (pnGI), Magnetfelder untersucht.

Eine Million Mal stärker als das Erdmagnetfeld

Mit pnGI lassen sich sehr starke Magnetfelder vermessen, die eine sogenannte Gradientenstärke in der Grössenordnung von 1 Tesla pro Zentimeter aufweisen. «Dadurch bewegen wir uns in Grössenordnungen, die etwa eine Million Mal stärker sind als das Erdmagnetfeld», sagt Christian Grünzweig, Neutronenforscher am Paul Scherrer Institut PSI. Bislang liessen sich mit Neutronen nur deutlich schwächere Magnetfelder ausmessen.

Von der Lichtmaschine bis zum MRT

Für die neue Methode sind zahlreiche Anwendungen denkbar, vor allem weil Neutronen die meisten Materialien zerstörungsfrei durchdringen. «So können wir auch Magnete und ihre Felder bestimmen, die nur schwer zugänglich sind, weil sie bereits in eine Apparatur eingebaut sind», erklärt Jacopo Valsecchi, Erstautor der Studie und Doktorand am PSI.

«Die Anwendungen erstrecken sich von Lichtmaschinen in Automotoren über viele Komponenten des Energieversorgungssystems bis zu Magnetfeldern von Magnetresonanztomografen, wie sie in der Medizin eingesetzt werden.»

Dass ihre Methode funktioniert, belegten die Forscher unter anderem damit, dass sie mithilfe von Computermodellen, die zu erwartenden Ergebnisse einer Messung simulierten. Anschliessend überprüften sie dann, ob sich bei einer realen Messung tatsächlich vergleichbare Ergebnisse erzielen lassen. «Die Resultate aus den Simulationen und die tatsächlichen Messergebnisse stimmen sehr gut überein», sagt Grünzweig.

Mit dem neuen Verfahren können auch Schwankungen im Magnetfeld nachgewiesen werden. So besitzen auch Dauermagnete, wie sie wohl jeder von Magnetstickern für die Kühlschranktür kennt, kein homogenes Magnetfeld. «Mögliche Gradienten können wir nun nachweisen, auch wenn es sich um ein sehr starkes Magnetfeld handelt», so Physiker Valsecchi.

Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher nun im Fachmagazin Nature Communications.

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 407 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Dr. Christian Grünzweig
Labor für Neutronenstreuung und Imaging
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 46 62
E-Mail: christian.gruenzweig@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Originalveröffentlichung

Visualization and quantification of inhomogeneous and anisotropic magnetic fields by polarized neutron grating interferometry
Jacopo Valsecchi, Ralph P. Harti, Marc Raventós, Muriel D. Siegwart, Manuel Morgano, Pierre Boillat, Markus Strobl, Patrick Hautle, Lothar Holitzner, Uwe Filges, Wolfgang Treimer, Florian M. Piegsa, Christian Grünzweig
Nature Communications, 22. August 2019
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-11590-2

http://psi.ch/node/30062 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial

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