Röntgenlicht zeigt magnetische Fluktuationen in Materialien

Röntgenstrahlen bieten Einsichten in Strukturen, die mit Lichtmikroskopie nicht abgebildet werden können. Doch Bilder mit hoher Auflösung sind normalerweise nur möglich, wenn sowohl das Mikroskop als auch das Untersuchungsobjekt extrem stabil sind. Forschern gelang es nun zu zeigen, wie man trotz Vibrationen oder Fluktuationen zuverlässige Bilder produzieren kann. Ihre Methode demonstrierten sie mit Experimenten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) und anhand von Computersimulationen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. In Zukunft könne man auf diese Weise magnetische oder thermische Fluktuationen in Datenspeichern untersuchen, so die Wissenschaftler.

Schematischer Aufbau, ein Strahl fällt durch ein kleines Fenster, danach trifft auf eine Scheibe und eine Platte, die sich leicht bewegen. Dahinter ist das entstehende Bild mit verschiedenen Farbschattierungen gezeigt.
Experimenteller Aufbau

Andreas Menzel vom Paul Scherer Institut im schweizerischen Villigen und Pierre Thibault von der Technischen Universität München nutzten eine Technik namens Ptychographie, die in den 1960er Jahren für Elektronenmikroskopie erfunden wurde. Mittlerweile wird sie auch für hochauflösende Mikroskopie sowohl mit sichtbarem Licht als auch mit Röntgenlicht angewendet. Bei der Ptychographie rastert ein Röntgenstrahl die Probe ab, ein Pixeldetektor nimmt dabei  von den verschiedenen Punkten Beugungsbilder auf, die anschließend kombiniert werden. Menzel und Thibault unterschieden mit dieser Technik Effekte in einem Bild, die von Lichtanteilen mit verschiedenen Wellenlängen stammen. „Auch wenn sie viel zu schnell sind, als dass wir sie mit einzelnen Momentaufnahmen festhalten könnten, können wir nun Fluktuationen der Probe selber charakterisieren,“ erklärt Menzel.

Zwei Bilder nebeneinande, links sind verschwommen Punkte auf einer Fläche in vielen Farbabstufungen zu sehen, rechts sind die Punkte klar umrissen und das Bild hat nur zwei verschiedene Farben.
Rekonstruierte Bilder

Ob die Bilder tatsächlich die Proben und ihre Dynamik genau wiedergeben, kontrollierten die beiden Wissenschaftler mithilfe von Computersimulationen. „Sie bestätigten, dass sowohl Effekte des Instruments als auch der Proben selbst, wie zum Beispiel Ströme, Schaltvorgänge oder bestimmte Quantenzustände, charakterisiert werden können,“ sagt Thibault.

Laut den Forschern bestehe eine mögliche Anwendung darin, die wechselnde Magnetisierung einzelner Bits in magnetischen Speichermedien mit hoher Speicherdichte zu untersuchen. Auch thermische Fluktuationen, die letztlich die Lebensdauer magnetischer Datenspeicherung einschränken, ließen sich mit der neuen Analysetechnik bestimmen.