Von Manfred Lindinger
02. April 2008 Vieles glaubt der Mensch erst, wenn er es mit eigenen Augen sieht. Das gilt insbesondere für Mediziner und Physiker. So ermöglichen Computer- und Magnetresonanz-Tomographen den Ärzten einen einzigartigen Blick ins Körperinnere von Patienten.
Materialwissenschaftler blicken häufig mit Photonen, Elektronen, vor allem aber mit Neutronen in das Innere ihrer Proben. Mit Letzteren haben Forscher des Hahn-Meitner-Instituts und der Technischen Fachhochschule in Berlin erstmals dreidimensionale Ansichten von Magnetfeldern außerhalb und aus dem Inneren von Materialen gewonnen.
Winzige Kreisel als Sonden
Für ihre Untersuchungen haben sich die Forscher um Nikolay Kardjilov eine physikalische Besonderheit von Neutronen zunutze gemacht, den Eigendrehimpuls oder Spin. Dieser verleiht den ungeladenen Teilchen, die Metalle ohne Verluste durchdringen können, ein magnetisches Moment, wodurch man sie mit winzigen rotierenden Stabmagneten vergleichen kann.
Normalerweise weisen die Spins in alle Richtungen. Erst in einem Magnetfeld, das etwa von einer magnetischen Probe hervorgerufen wird, richten sie sich entlang der Feldlinien aus. Dabei bewegen sich die magnetischen Momente der Neutronen wie winzige Kreisel um die Magnetfeldrichtung. Die Forscher um Kardjilov haben dieses Verhalten der Neutronen genutzt und den Verlauf von Magnetfeldern magnetischer Proben vermessen.
Tomographie mit Neutronen
Als Neutronenquelle diente den Wissenschaftern der Forschungsreaktor des Hahn-Meitner-Instituts in Berlin. Dieser lieferte einen Strahl langsamer Neutronen einheitlicher Geschwindigkeit. Ein Polarisator sorgte dafür, dass die magnetischen Momente der Teilchen ein und dieselbe Orientierung aufwiesen, bevor sie auf die Probe trafen, die auf einem drehbaren Tisch montiert war. Das von dem Material erzeugte Magnetfeld störte die ursprüngliche Orientierung der magnetischen Momente und veränderte damit die Polarisationsrichtung der Neutronen.
Wie stark der Effekt war, wurde mit meinem Analysator ermittelt, der sich hinter der Probe befand und nur Neutronen einer bestimmten Polarisationsrichtung in Richtung eines empfindlichen Detektors passieren ließ. Aus dem Messsignal konnten die Forscher auf die Orientierung der Neutronenspins und damit auf den Verlauf des magnetischen Feldes am Ort der Probe schließen, wie sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature Physics“ berichten.
Innenansichten von Magnetfeldern
Kardjilov und seine Kollegen beleuchteten ihre Probe von allen Seiten. Ein Computerprogramm konstruierte aus den Messwerten schließlich ein räumliches Abbild des Magnetfeldes. Die Forscher haben mit ihrem Verfahren, das sie als Neutronentomographie bezeichnen, die Felder in der Umgebung von magnetischen Dipolen sichtbar gemacht, die über einem Supraleiter schwebten.
Das besondere Bonbon waren die ersten Bilder von Magnetfeldern aus dem Inneren eines supraleitenden magnetischen Bleizylinders. Künftig wollen die Forscher mit den polarisierten Neutronen 3D-Ansichten von magnetischen Domänen in Kristallen gewinnen.
Von oben, zur Seite und in die Tiefe – auch
für Materialforscher werden scharfe 3D-
Bilder immer beliebter. Mit Neutronen lassen sich jetzt sogar dreidimensionale Ansichten von Magnetfeldern gewinnen.
Von Manfred Lindinger
Text: mli / F.A.Z., 02.04.2008
Bildmaterial: Hahn-Meitner-Institut, Hans-Meitner-Institut
