Domänen im Blitzlicht

Ultrakurze Laserblitze ermöglichen heutzutage die Beobachtung von extrem schnellen Bewegungs­abläufen auf mikro­skopisch kleinen Längen­skalen. Forschern der Universität Göttingen ist es in Zusammen­arbeit mit der Universität Augs­burg und dem Technion in Israel nun gelungen, kleinste magnetische Domänen­strukturen mit extrem-ultra­violetten Laser­blitzen abzubilden und somit den Weg für ultra­schnelle magnetische Bild­gebungs­verfahren im Labor­maßstab zu ebnen.

Untersuchungen von magnetischen Ordnungen in Fest­körpern auf der Nano­skala spielen unter anderem bei der Entwicklung neuer Daten­speicher in der Informations­technologie eine große Rolle. Dabei ist vor allem die Erforschung dynamischer Prozesse wichtig, um die Änderung von Ordnungs­zuständen, wie etwa bei Schalt­vorgängen, beschreiben und steuern zu können. Eine neu­artige Methode zur mikro­skopischen Bildgebung solcher Phänomene basiert auf der Verwendung zirkular polarisierten Lichts, das empfindlich für die Magnetisierung von Materialien ist und sich deshalb für die Mikro­skopie magnetischer Strukturen verwenden lässt. Um eine hinreichende Auflösung im relevanten Größen­bereich der magnetischen Strukturen zu erreichen, sind Licht­wellen­längen im Bereich von unter zehn Nanometern notwendig. Bis vor Kurzem war jedoch zirkular polarisiertes Licht dieser Wellen­längen großen Teilchen­beschleunigern wie Synchrotronen und Freien-Elektronen-Lasern vorbehalten.

Das Forscherteam unter der Leitung von Claus Ropers konnte nun erstmalig hoch­auflösende Abbildungen magnetischer Strukturen mit einer Licht­quelle im Labor­maßstab realisieren. Ein wesentlicher Schlüssel zum Erfolg war die Verwendung von zirkular polarisierter hoher Harmonischer, für deren Erzeugung eine erst kürzlich am Technion in Israel entwickelte Methode zum Einsatz kam. „Die Verwendung von Licht zur Abbildung ist sehr grund­legend und viel­seitig,“ erklärt Ofer Kfir, einer der Autoren der Studie. „Mithilfe des sogenannten Polarisations­kontrasts, der in der Licht­mikroskopie bereits seit langem eine wichtige Mess­größe ist, können wir nun unter Verwendung der kürzeren Wellen­längen magnetische Phänomen mit sehr hoher Auflösung im Nano­meter­bereich untersuchen.“

Allerdings ähnelt die Suche nach dem magnetischen Kontrast der Suche nach der Nadel im Heuhaufen, da das magnetische Signal deutlich kleiner als das nicht-magnetische Signal sei. Das Forscher­team nutzte daher einen Trick, um das magnetische Signal zu verstärken: Während Teile des Licht­strahls trans­mittiert und an der magnetischen Probe gestreut werden, wird ein anderer Teil des Licht­strahls unbeeinflusst von den magnetischen Strukturen nach der untersuchten Probe mit dem gestreuten Licht überlagert. Durch die Interferenz beider Teilstrahlen ließ sich das schwache magnetische Signal bis zu 100-fach verstärken – man könnte auch sagen, die Nadel im Heuhaufen wurde zum Leuchten gebracht.

„Das Konzept der Signalverstärkung durch zusätzliche Referenz-Strahlen hat einen weiten Anwendungs­bereich und verringert die Anforderungen an die Hellig­keit der Licht­quelle”, so Sergey Zayko. „Zusätzlich ermöglicht uns die kurze Puls­dauer des Lichts von wenigen Femto­sekunden das Erstellen von Zeit­lupen­aufnahmen der dynamischen Prozesse in den magnetischen Strukturen auf der Nano­skala.“ Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass zahlreiche physikalische Frage­stellungen von solch einem zeit­aufgelösten, bild­gebenden Verfahren profitieren werden.

GAU / DE