04.10.2018

Magnetfelder mit Neutronen abtasten

Neutronen-Tomographie bildet magnetische Feld­linien im Innern von Materialien ab.

Magnetische Felder im Innern von Proben zu messen gelingt bislang nur auf indirekte Weise. Mit Licht, Röntgen­strahlung oder Elek­tronen lassen sich zwar magne­tische Orien­tie­rungen abtasten, aller­dings nur auf den Ober­flächen von Materi­alien. Neutronen dagegen dringen tief in die Probe ein, und können – dank ihrer eigenen magne­tischen Eigen­schaften – präzise Auf­schluss über magne­tische Felder im Inneren geben. Bislang aber ließen sich nur grob die unter­schied­lich aus­ge­rich­teten magne­tischen Domänen mit Hilfe von Neutronen kartieren, nicht aber die Vektor­felder des Magnet­felds im Inneren der Probe.

Abb.: Die magnetischen Feldlinien im Inneren eines supra­leitenden Blei-Quaders bei 4,3 Kelvin. Die Schnitt­ebene ist durch den gestri­chelten Umriss an­ge­deutet. Der Skalen­strich entspricht fünf Milli­meter. (Bild: HZB)

Jetzt hat ein Team um Nikolay Kardjilov und Ingo Manke am Helm­holtz-Zentrum Berlin eine neue Methode ent­wickelt, um die Magnet­feld­linien im Innern von massiven, dicken Proben zu ver­messen: Für die tenso­rielle Neutronen-Tomo­graphie setzen sie Spin-Flipper und -Polari­sa­toren ein, die dafür sorgen, dass nur Neutronen mit gleich­ge­rich­teten Spins die Probe durch­dringen. Treffen solche spin­polari­sierten Neutronen auf ein magne­tisches Feld im Innern, regt dieses die Neutronen­spins zur Präzes­sion an, so dass sich die Spin-Polari­sa­tions­rich­tung ver­ändert, was Rück­schlüsse auf die Feld­linien erlaubt.

Mit der neu entwickelten Methode lässt sich aus neun einzelnen Tomo­graphien mit jeweils unter­schied­lichen Neutronen­spin-Ein­stel­lungen eine drei­dimen­sio­nale Abbil­dung des Magnet­felds im Innern der Probe berechnen. Hierzu wird ein von André Hilger am HZB neu ent­wickelter, äußerst komplexer mathe­ma­tischer Tensor-Algo­rithmus ein­ge­setzt, der „TMART“ getauft wurde. Die Forscher haben die neue Methode an gut ver­stan­denen Proben getestet und eva­luiert. Im Anschluss konnten sie erst­mals das komplexe Magnet­feld im Inneren von supra­leitendem Blei kartieren.

Die Probe aus massivem, polykristallinem Blei wurde auf vier Kelvin abge­kühlt – Blei wird supra­leitend unter­halb von sieben Kelvin – und einem Magnet­feld von 0,5 Milli­tesla aus­ge­setzt. Dabei wird das Magnet­feld zwar auf­grund des Meissner-Effekts aus dem Proben­inneren ver­drängt, dennoch bleiben magne­tische Fluss­linien an den nicht supra­leitenden Korn­grenzen der poly­kristal­linen Probe haften. Diese ver­schwinden auch nicht, nach­dem das äußere Feld abge­schaltet wird, weil sie zuvor im Innern der supra­leitenden Kristall­körner Ströme indu­zieren, die diese Felder auf­recht­erhalten.

„Zum ersten Mal können wir im Inneren eines massiven Materials das magne­tische Vektor­feld in seiner ganzen Kom­plexität drei­dimen­sional sicht­bar machen“ sagt Manke. „Neutronen können gleich­zeitig massive Materi­alien durch­dringen und Magnet­felder nach­weisen. Es gibt zur­zeit keine andere Methode, die das ermög­licht.“ Die magne­tische Tensor-Tomo­graphie ist zer­störungs­frei und kann Auf­lösungen bis in den Mikro­meter­bereich erreichen. Die Einsatz­bereiche sind extrem viel­fältig. Sie reichen von der Kartie­rung von magne­tischen Feldern in Supra­leitern und der Beob­ach­tung von magne­tischen Phasen­über­gängen bis zur Material­analyse, die auch für die Industrie von großem Inte­resse ist. So lassen sich Feld­ver­tei­lungen in Elektro­motoren und metal­lischen Kompo­nenten abbilden und Strom­flüsse in Batte­rien, Brenn­stoff­zellen oder anderen Antriebs­systemen mit dieser Methode visu­ali­sieren.

HZB / RK

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