Nanomagnete durchleuchten

Das Rasterröntgenmikroskop MAXYMUS ist an der Berliner Synchrotron­strahlungs­quelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin beheimatet. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgt durch Markus Weigand aus der Abteilung „Moderne Magnetische Systeme“ des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS), unter Leitung von 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 zwanzig mal besseren Auflösung im Vergleich zum Licht­mikroskop beobachten“, erläutert 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).

„Unseren Nutzern stehen mit MAXYMUS damit äußerst attraktive Experimentier­möglichkeiten für Untersuchungen nicht nur im Bereich des Magnetismus zur Verfügung“ erläutert 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 Publikationen in renommierten Zeitschriften.

Sie beinhalten grundlegende Studien zur Magnonik. Die ultra­schnellen und kurz­welligen Spinwellen sollen eine strom- und damit energie­sparende Daten­prozessierung ermöglichen, die sich durch die heutige ausgefeilte Mikro­wellen­technik steuern lässt. „Diese Spinwellen sichtbar zu machen, vergleichbar zu Wellen, die ein Stein erzeugt, der ins Wasser fällt, ist selbst für einen Wissenschaftler sehr beeindruckend“ erklärt Sebastian Wintz vom PSI in Villigen, Schweiz.

Ebenso spektakulär ist die Beobachtung der Entstehung und Manipulation von Skyrmionen, magnetischer Wirbel, die sich wie Teilchen endlicher Masse verhalten und mit minimalen Strömen gesteuert werden können. Auch hier wird in Beiträgen auf entsprechenden internationalen Konferenzen die Relevanz für eine zukünftige Anwendung auf dem Gebiet der Informations­technologie heiß diskutiert. Kai Litzius, Doktorand am Lehrstuhl von 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 bei 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 Markus Weigand voraus.

MPI-IS / DE