Um herauszufinden, ob das dotierte Material tatsächlich magnetisch oder nicht, bauten die RUB-Wissenschaftler am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II eine spezielle Messkammer auf, mit der sie die magnetischen Eigenschaften von Festkörpern mit noch höherer Präzision spektroskopisch über Röntgenfluoreszenzanalyse nachweisen können.

Basis der Messkammer ist die so genannte XMCD-Methode (x-ray circular magnetic dichroism), die Ende der 1980er Jahre von Professor Gisela Schütz (heute MPI Stuttgart) und Gerrit van der Laan (Daresbury Laboratory, UK) entdeckt wurde. In den 90er Jahren weiterentwickelt, wird sie inzwischen von vielen Forschergruppen zur Analyse von magnetischen Materialien genutzt.

Berliner Elektronenspeicherring BESSY © BESSY Luftbild und Pressefoto

Mit zwei Gigaelektronenvolt im Kreis herum
Der Elektronenspeicherring hält Elektronen mit einer Energie von rund zwei Gigaelektronenvolt (10 hoch 9 eV) auf einer präzisen Umlaufbahn. Sie fliegen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn und brauchen für ihren Umlauf von 240 Metern gerade 800 Nanosekunden. Beim Umlauf senden sie elektromagnetische Wellen über ein breites Wellenlängenspektrum aus, das von längerwelligen „weichen“ bis hin zu kurzwelligen „harten“ Röntgenstrahlen reicht.

Diese Röntgenstrahlung wird durch eine zusätzliche Apparatur, den Undulator, polarisiert. Das bedeutet, die durch die Röntgenstrahlen ausgesandten elektrischen und magnetischen Felder werden gezielt ausgerichtet und „auf eine Schraubenbahn gebracht“.

	Durch die Energie der Röntgenstrahlung fliegen Elektronen aus der innersten Umlaufbahn heraus und hinterlassen dort eine Lücke. © RUB

Wenn die Außenelektronen springen
Mit diesen zirkular polarisierten Röntgenstrahlen regen die Forscher nun nicht die innersten Elektronen auf der K-Schale an, die magnetisch ohnehin nicht relevant sind, sondern die weiter außen liegenden auf der L-Schale. Sie geben die spezifische Auskunft über die chemischen und magnetischen Eigenschaften eines Elements.

Die dortigen Elektronen können je nach ihrer Spinrichtung mit rechts- oder linkszirkular polarisierter Röntgenstrahlung angeregt werden. Werden sie „resonant“ angeregt, nutzen sie die Energie des Röntgenstrahls und begeben sich auf die am weitesten außen liegenden freien Elektronenplätze der Probe. Bei diesem Vorgang wird die Röntgenstrahlung besonders stark absorbiert, was man messen kann.

Wenn zwischen der Anregungshäufigkeit mit rechts- und linkszirkular polarisierter Röntgenstrahlung ein Unterschied besteht, können die Wissenschaftler auf Magnetismus schließen, denn Elektronen einer Spinrichtung werden bevorzugt von Röntgenstrahlen einer Polarisationsrichtung angeregt.

RUB-Forscher an der ALICE-Messkammer © RUB / RUBIN

Kombinationsmethode klärt Strukur und Magnetismus
Die von den RUB-Forschern neu entwickelte Messmethode basiert nun auf einer Kombination der XMCD-Methode mit einer ihrer Varianten, der resonanten magnetischen Röntgenstreuung (x-ray resonant magnetic scattering, XRMS). Röntgenstreuung dient allgemein der Strukturaufklärung. Röntgenstrahlen werden von Atomen eines bestrahlten Materials in charakteristischer Weise reflektiert und abgelenkt. Detektiert man die abgelenkte Strahlung, entsteht ein charakteristisches Streumuster, das Rückschlüsse auf die bestrahlte Struktur erlaubt. So können auch Atomabstände in Kristallen mit Picometer-Genauigkeit bestimmt werden.

Die neue Kombinationsmethode erlaubt nun noch genauere Aussagen sowohl über den Magnetismus, als auch über die Struktur einer Probe. Zabel und seine Kollegen haben sie am Elektronenspeicherring BESSY II mit finanzieller Unterstützung des Bundesforschungsministeriums (BMBF) etabliert. Die dazu von Johannes Grabis während seiner Doktorarbeit konstruierte und aufgebaute Messkammer wurde ALICE-Kammer getauft, weil sie wie Alice im Wunderland, die hinter den Spiegel schauen kann, fähig ist, hinter die Dinge zu schauen.