Durchblick mit Neutronen

Um physikalische Prozesse in Festkörpern mit hoher Präzision zu vermessen, bestrahlen Forscher die Materialien mit Neutronen und machen sich dabei eine Quanteneigenschaft dieser elektrisch neutralen Teilchen zunutze – den Spin. Das BMBF fördert ein Projekt, in dem Physiker der TU München diese sogenannte Neutronen-Spinechospektroskopie in einem kompakten und transportablen Instrumentenaufsatz für die Neutronenquelle FRM II in Garching integrieren wollen.

Forscher schätzen Neutronen als Sonde für eine Vielzahl von Anwendungen: Im Gegensatz zu vielen anderen Partikeln oder auch Licht können die elektrisch neutralen Teilchen tief in Materie eindringen und auf diese Weise viel über die Eigenschaften der untersuchten Stoffe verraten. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Streuung der Neutronen innerhalb der Probe.

Der Neutronenleiter MIRA

Wissenschaftler kennen die Richtung, aus der die Neutronen auf die Probe treffen, sowie deren Geschwindigkeit und Masse – und damit auch deren Energie und anfänglichen Impuls. Wechselwirken die Neutronen nun mit den Atomen in der Probe, ändert sich nicht nur ihre Richtung. Je nach Art der Wechselwirkung können sie auch Energie gewinnen oder verlieren, werden also etwas schneller oder langsamer. Eine Messung der Richtung und Geschwindigkeit nach dem Durchlaufen der Probe erlaubt somit Einblicke in die mikroskopischen Strukturen und dynamischen Prozesse innerhalb des Materials.

Solche Streuexperimente kommen an der Forschungsneutronenquelle FRM II in Garching in zahlreichen Varianten zum Einsatz: Hier liefert ein Forschungsreaktor freie Neutronen, die je nach Bedarf über sogenannte Neutronenleiter zu unterschiedlichen Instrumenten geleitet werden. Dazu gehört auch die Strahllinie MIRA, an der Forscher verschiedene Neutronenexperimente durchführen. Ein wichtiger Parameter bei den Versuchen ist die Energieauflösung. Sie gibt an, wie klein die Energiedifferenz der Neutronen vor und nach der Streuung an der Probe sein darf, um noch messbar zu sein.

„MIRA oder andere derartige Instrumente schaffen derzeit etwa hundert Mikroelektronenvolt“, sagt Peter Böni von der TU München. „Unser Ziel ist es, auf die Strahllinie MIRA einfach eine Art Blackbox zu stellen, um damit die Energieauflösung um einen Faktor hundert bis tausend zu verbessern. Wir reden dann nicht mehr über hundert, sondern über 0,1 bis 1 Mikroelektronenvolt.“

Instrumentenaufsatz MIEZETOP

Das BMBF finanziert die Entwicklung und Konstruktion einer solchen „Blackbox“. Dieses mobile Gerät sollen Wissenschaftler später einfach nutzen können, ohne dass sie sich mit dessen genauen Funktionsweise beschäftigen müssten. Darüber hinaus soll der Instrumentenaufsatz so flexibel sein, dass er auch an anderen Einrichtungen oder Strahllinien verwendet werden kann. Derzeit tüfteln Physikern der TU München am FRM II noch an dem auf den Namen „MIEZETOP“ getauften Apparat: Der Entwurf dafür ist im Wesentlichen bereits fertig und wird über die nächsten Jahre umgesetzt werden.

Spulen als Komponente von MIEZETOP

Geleitet wird das Projekt von Peter Böni, der die Vorzüge von MIEZETOP vor allem darin sieht, künftig langsamere Prozesse beobachtbar zu machen: „Die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass Energie und Zeit nicht beide gleichzeitig beliebig genau messbar sind. Wenn wir also langsame Diffusionsprozesse oder die Lebensdauer einer Anregung in einem Material messen wollen, brauchen wir eine sehr gute Energieauflösung, um diese langlebigen Prozesse vollständig erfassen zu können.“

Das Wort „langlebig“ ist dabei durchaus relativ zu sehen – die Wissenschaftler interessieren sich für Prozesse, die lediglich einige Nanosekunden dauern, also rund eine milliardstel Sekunde lang sind. „Diese Zeitspannen spielen zum Beispiel für die Lebensdauern von Gitterschwingungen eine Rolle“, so Böni. „Die Frage ist, wie weit sich eine Gitterschwingung in einem Kristall ausbreiten kann, bevor sie unweigerlich auf einen Fehlstelle im Kristall stößt und dort zerstört wird.“ Das Kristallgitter von Blei sei ein gutes Beispiel: „Die Gitterschwingungen in Blei sind interessant, weil Blei bei sehr tiefen Temperaturen supraleitend wird. Die Supraleitung entsteht dadurch, dass die Gitterschwingungen mit den Elektronen wechselwirken.“

Auch bei einem anderen Phänomen könnte MIEZETOP zu neuen Erkenntnissen verhelfen – den sogenannten Skyrmionen. „Wir haben die Skyrmionen an unserem Institut ursprünglich entdeckt“, sagt Böni. „Dabei handelt es sich um eine Art sehr kleiner, magnetischer Wirbel. Üblicherweise sind Wirbelstrukturen sehr stabil, weshalb wir untersuchen wollen, wie lange sie etwa in Mangansilizium stabil sind.“ Skyrmionen wären beispielsweise als Datenspeicher interessant. „Eine Idee wäre, einzelne Skyrmionen links- oder rechtsdrehend zu polarisieren“, bestätigt Böni. „Aber als Datenspeicher wäre das natürlich nur interessant, wenn sie stabil bleiben.“

Kreiselbewegungen im Magnetfeld

Um mit MIEZETOP Untersuchungen der Skyrmionen oder der Gitterschwingungen in Blei durchführen zu können, reicht die gewöhnliche Neutronenstreuung nicht aus. Die Wissenschaftler bauen deshalb mit MIEZETOP ein Gerät für ein Verfahren namens Spinechospektroskopie. Die Neutronen werden dazu vor dem Auftreffen auf die Probe zunächst polarisiert, das heißt, nach ihrem Spin sortiert. Der Spin ist eine fundamentale Quanteneigenschaft von Teilchen ähnlich ihrer Masse oder Ladung, die ihrem Eigendrehimpuls entspricht. Der Spin von Neutronen kann nur in zwei Richtungen zeigen. Die Forscher sorgen dafür, dass nur eine der beiden Sorten auf die Probe trifft.

Skyrmionen

Mit dem Spin des Neutrons ist auch ein magnetisches Moment verbunden, das Neutron verhält sich dadurch wie ein kleiner Stabmagnet. Durchfliegt das Teilchen nach der Wechselwirkung mit der Probe nun ein Magnetfeld, dreht sich sein magnetisches Moment darin wie ein Kreisel. „Weil wir das Magnetfeld und die Flugstrecke kennen, können wir ausrechnen, wie viele Umdrehungen das Neutron gemacht hat“, sagt Böni. „Wenn ein Neutron schneller fliegt, wird es weniger Umdrehungen als ein langsameres Neutron schaffen.“

Statt die Energie der Neutronen direkt zu bestimmen, messen die Forscher seine Kreiselbewegungen oder Präzession, wie Physiker es nennen. Eine ganze Umdrehung entspricht 360 Grad. „Wenn das Neutron aufgrund seiner anfänglichen Energie eigentlich zehntausendmal präzedieren sollte, es dann aber zehntausend Umdrehungen plus zehn Grad schafft, ist das natürlich eine extrem genaue Messung“, sagt Böni. „Daraus können wir auf seine Energie schließen.“ Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht darin, dass während eines einzelnen Messvorgangs Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeiten verwendet werden können: Eine größere Anzahl an Neutronen erhöht die Intensität, das Signal wird also stärker.

Handelt es sich bei den Proben allerdings um magnetische Materialien oder Materialien in Magnetfeldern – in welchen beispielsweise die Skyrmionen auftreten – führt das bei der Spinechospektroskopie zu Problemen. Denn wechselwirken die zuvor so sorgfältig nach ihrem Spin ausgewählten Neutronen mit solchen Proben, werden sie wieder depolarisiert, ihr Spin ist also nicht mehr durchweg gleich. Deshalb kommen bei MIEZETOP zwei Magnetspulen zum Einsatz, die die beiden „Neutronensorten“ wieder trennen können.

Nachdem das Projekt im Juli 2016 gestartet ist, wollen die Forscher zunächst Teile des Systems in Computersimulationen austesten, bevor sie mit dem tatsächlichen Bau beginnen. Peter Böni rechnet damit, dass MIEZETOP Anfang 2018 für erste Messungen bereit sein wird.