Nanomagnetismus im Röntgenlicht

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 20 mal besseren Auflösung im Vergleich zum Lichtmikroskop beobachten“, erläutert Professor Dr. 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 = 0,000 015 mm).

„Unseren Nutzern stehen mit MAXYMUS damit äußerst attraktive Experimentiermög­lichkeiten für Untersuchungen nicht nur im Bereich des Magnetismus zur Verfügung“ erläutert Dr. 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 hochrangige Publikationen in den renommierten Zeit­schriften Nature Physics, Nature Materials und Nature Nanotechnology.

Sie beinhalten grundlegende Studien zum Bereich der sogenannten Magnonik. Die ultra­schnellen und kurzwelligen Spinwellen (im Teilchenbild Magnonen) sollen eine strom- und damit energiesparende Datenprozessierung ermöglichen, die durch die heutige aus­gefeilte Mikrowellentechnik gesteuert werden kann. „Diese Spinwellen sichtbar zu machen, vergleichbar zu Wellen, die ein Stein erzeugt, der ins Wasser fällt, ist selbst für einen Wissenschaftler sehr beeindruckend“ erklärt Dr. Sebastian Wintz vom PSI in Villigen, Schweiz (siehe Abb.).

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