3D-Bilder werden nicht nur in der Medizin erzeugt, auch Materialwissenschaftler blicken gern ins Innere eines Körpers. Berliner Forschern ist es nun erstmals gelungen, Magnetfelder im Inneren von massiven, nicht transparenten Materialien dreidimensional darzustellen. Sie berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics.
Die Forscher des Hahn-Meitner-Instituts (HMI) um Nikolay Kardjilov haben in ihrer Studie die Neutronentomographie genutzt. Neutronen, das sind elektrisch ungeladene Elementarteilchen, besitzen ein so genanntes magnetisches Moment und sind daher besonders geeignet, um Phänomene wie den Magnetismus zu untersuchen. Sie verhalten sich im Magnetfeld ähnlich wie Kompassnadeln, das heißt, sie führen kleine Kreiselbewegungen um die Achse eines angelegten Magnetfeldes aus. Physiker sprechen vom Neutronenspin.
Dieser kann aber nun polarisiert werden. Das heißt, alle Kompassnadeln richten sich gleichmäßig zum Magnetfeld aus. Wird eine Probe mit derartigen spinpolarisierten Neutronen bestrahlt, ändert sich der Drehwinkel der kleinen Kreisel, ihre Spinrotation.
Wählerische Analysatoren
Das Team um Kardjilov nutzte dies als Messparameter für die Tomographie-Experimente. Die Forscher entwickelten Apparaturen, so genannte Analysatoren, die nur Neutronen mit einer bestimmten Drehrichtung passieren lassen. Damit wird das Bild erzeugt. Kardjilov erläutert dies im Vergleich zu einer medizinischen CT-Aufnahme: Knochen oder Gewebe lassen beim Bestrahlen mit Röntgenlicht je nach ihrer Dichte die Lichtwellen in unterschiedlicher Intensität passieren.
„So ähnlich ist es mit unserer magnetischen Probe, die die Spinrotation der Neutronen ändert“, so Kardjilov. „Der nachgeschaltete Analysator lässt nur Neutronen mit einem bestimmten Drehspin passieren, dadurch wird der Kontrast erzeugt. Je nachdem, wie die magnetischen Eigenschaften in der Probe verteilt sind. Wenn man die Probe dabei dreht, erhält man ein 3D-Bild.“
Der Forscher hat seit 2005 die Neutronentomographie am HMI aufgebaut, und nun ist seine Gruppe die erste, die die Spinrotation als Messsignal für die Bildgebung verwendet. Normalerweise nutzen Wissenschaftler wie beim Licht die einfache Absorption der Strahlung beziehungsweise die Fähigkeit einer Probe, Strahlung hindurchzulassen.
Vielseitig einsetzbarer Experimentaufbau
Eine weitere Grundlage für den Erfolg der Experimente waren jedoch die Polarisatoren und Analysatoren sowie ortsauflösende Detektoren, die die HMI-Forscher in Eigenentwicklung gebaut haben.
Magnetismus ist eines der zentralen Forschungsfelder am HMI. Für das Verständnis der Hochtemperatursupraleitung ist es zum Beispiel wichtig zu verstehen, wie sich magnetische Flusslinien verteilen und wie man diese Flusslinien im Material festhalten kann. Mit Kardjilovs Experimentaufbau wird es nun unter anderem möglich sein, magnetische Domänen in magnetischen Kristallen dreidimensional zu visualisieren.
(idw – Hahn-Meitner-Institut Berlin, 31.03.2008 – DLO)
