BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im Zentrum
Die magnetische Mikrostruktur aus der Nickel-Eisen-Legierung führt zu einer Verdichtung der Feldlinien im Zentrum. © A. Palau/ICMAB
Zwei Karten des magnetischen Kontrasts. Dabei befindet sich der Kobaltstab im Zentrum der Mikroblüte. © S. Valencia /HZB
Eine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.
Dr. Anna Palau vom Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) hat ein spezielles Metamaterial entwickelt, das unter dem Rasterelektronenmikroskop winzigen Blüten ähnelt. Die „Blütenblätter“ bestehen aus Streifen einer ferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung. Die Mikroblüten lassen sich in unterschiedlichen Geometrien herstellen, nicht nur Innen- und Außenradien, sondern auch Anzahl und Breite der Blütenblätter sind variabel. Diese blütenförmige Geometrie bewirkt, dass sich die Feldlinien eines äußeren Magnetfeldes im Zentrum der „Blüte“ konzentrieren, was zu einem lokal deutlich stärkeren Magnetfeld führt.
Magnetische Metamaterialien
„Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien mit Mikrostrukturen, deren Abmessungen kleiner sind als die elektromagnetischen oder thermischen Wellen, die sie manipulieren sollen“, erklärt Anna Palau. Die Physikerin arbeitet an magnetischen Mikrostrukturen, die in der Datenspeicherung, Informationsverarbeitung, Biomedizin, Katalyse und magnetischen Sensorik eingesetzt werden können. So erhöhen solche Metamaterialien die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren, indem sie das zu detektierende Magnetfeld verstärken.
Magnetische Domänen kartiert
Anna Palau, ihr Student Aleix Barrera und Sergio Valencia haben dies nun an der XPEEM-Versuchsstation von BESSY II untersucht. Sie platzierten einen Kobaltstab im Zentrum verschiedener Mikroblüten als Sensor für das Magnetfeld und kartierten die magnetischen Domänen im Inneren des Kobaltstabs. „Durch die Anpassung der geometrischen Parameter wie Form, Größe und Anzahl der Blütenblätter kann das magnetische Verhalten umgeschaltet und gesteuert werden“, sagt Valencia. Dadurch könnte die Empfindlichkeit eines magnetoresistiven Sensors um mehr als zwei Größenordnungen erhöht werden.
Vielfältige Anwendungen, auch für neue XPEEM-Experimente
Diese Innovation eröffnet neue technologische Möglichkeiten, um die Leistung kleiner magnetischer Sensoren zu verbessern und multifunktionale magnetische Komponenten zu entwickeln. In Zukunft können solche Mikrostrukturen dazu verwendet werden, lokal viel höhere Magnetfelder zu erzeugen, was auch für die experimentelle XPEEM-Station bei BESSY II von Interesse ist. Denn das XPEEM ist ein Photoemissionselektronenmikroskop, bei dem die emittierten Elektronen das „Bild“ erzeugen. Magnetfelder lenken diese Elektronen jedoch ab, so dass es schwierig ist, ein stärkeres Magnetfeld anzulegen. „Das maximale Magnetfeld, das wir bisher anwenden können, liegt bei etwa 25 Millitesla (mT). Mit dem Magnetfeldkonzentrator, der das Feld nur lokal verstärkt, können wir problemlos fünfmal größere Felder erreichen. Das ist sehr spannend, weil wir damit magnetische Systeme unter Bedingungen untersuchen können, die bisher nicht möglich waren“, sagt Valencia.
- Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigertPerowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und liefern viel Leistung pro Fläche. Allerdings sind sie bisher noch nicht stabil genug für den Langzeit-Einsatz. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate durch eine neuartige Beschichtung der Grenzfläche zwischen Perowskitschicht und dem Top-Kontakt die Stabilität drastisch erhöht. Dabei stieg der Wirkungsgrad auf knapp 27 Prozent, was dem aktuellen state-of-the-art entspricht. Dieser hohe Wirkungsgrad nahm auch nach 1.200 Stunden im Dauerbetrieb nicht ab. An der Studie waren Forschungsteams aus China, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt. Sie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
- Energie von Ladungsträgerpaaren in Kuprat-VerbindungenNoch immer ist die Hochtemperatursupraleitung nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forschungsteam an BESSY II die Energie von Ladungsträgerpaaren in undotiertem La₂CuO₄ vermessen. Die Messungen zeigten, dass die Wechselwirkungsenergien in den potenziell supraleitenden Kupferoxid-Schichten deutlich geringer sind als in den isolierenden Lanthanoxid-Schichten. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung bei und könnten auch für die Erforschung anderer funktionaler Materialien relevant sein.
- Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein ÜberblickHybride Elektrokatalysatoren können beispielsweise gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren. Dies verspricht wirtschaftlich rentable Anwendungen. Die komplexen katalytischen Reaktionen, die bei der Herstellung organischer Verbindungen ablaufen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es, Katalysatormaterialien und die an ihren Oberflächen ablaufenden Reaktionen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen zu analysieren. Dies liefert Erkenntnisse, die für eine gezielte Optimierung genutzt werden können. Ein Team hat nun in Nature Reviews Chemistry einen Überblick über den aktuellen Wissensstand veröffentlicht.