Fluktuierende Zustände auflösen

Neue Imagingmethode für die Materialuntersuchung

Ein Wissenschaftsteam unter Leitung von Forschenden des Max-Born-Instituts in Berlin, des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Brookhaven National Laboratory (USA) und des Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit starken Röntgenquellen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode ist in der Lage, scharfe, hochauflösende Bilder zu machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. Im Fachjournal Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.

Die Welt in ihren kleinsten Dimensionen ist voller Bewegung und in ständigem Wandel. Selbst in festen, äußerlich unveränderlichen Materialien können solche Fluktuationen für ungewöhnliche Eigenschaften sorgen, wie zum Beispiel im Fall der Hochtemperatursupraleiter. Besonders stark sind die Fluktuationen bei Phasenübergangen, wenn ein Material seinen Zustand ändert, zum Beispiel von fest nach flüssig beim Schmelzen. Die Wissenschaft untersucht aber auch Zustandsänderungen eines Materials von nicht-leitend zu leitend, nicht-magnetisch zu magnetisch oder Änderungen der Kristallstruktur. Viele dieser Prozesse werden technisch genutzt oder spielen auch in lebenden Organismen eine Rolle.

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Problematik Probenzerstörung durch energiereiche Strahlung
Allerdings ist es äußerst schwierig, diese Prozesse genau zu beobachten oder sogar einen Film von den Fluktuationsmustern zu machen. Das Problem ist, dass die Fluktuationen sehr schnell sein können und sich auf der Größe von Nanometern abspielen – einem Millionstel Millimeter. Selbst hochauflösende Röntgen- und Elektronenmikroskope konnten diese schnelle, zufällige Bewegung nicht aufnehmen. Tatsächlich ist das Problem sogar prinzipieller Natur, wie am Beispiel einer Fotoaufnahme klar wird: Für jede scharfe Aufnahme eines Objekts benötigt man ein Mindestmaß an Beleuchtung. Möchte man das Objekt vergrößert abbilden, also „hineinzoomen“, muss man die Beleuchtung verstärken. Noch mehr Licht wird benötigt, wenn der Schnappschuss auch noch mit sehr kurzer Belichtungszeit gemacht werden soll, um die Bewegung zu einem gewissen Zeitpunkt im Bild einzufrieren. Eine immer bessere räumliche und zeitliche Auflösung führt damit irgendwann zu dem Punkt, wo ein mikroskopisches Objekt so stark beleuchtet werden müsste, dass man es mit der energiereichen Strahlung („Beleuchtung“) verändert oder gar zerstört. Genau an diesem Punkt war die Wissenschaft in den letzten Jahren angekommen: Schnappschüsse, die mit Freien-Elektronen-Lasern, den heute intensivsten verfügbaren Röntgenquellen, aufgenommen wurden, führten unweigerlich zur Zerstörung der untersuchten Probe.

Ein Algorithmus hilft, schwach belichtete Bilder auszuwerten
Ein internationales Forschungsteam hat nun eine Lösung für dieses Dilemma gefunden. Ausgangspunkt war die Erkenntnis, dass die Fluktuationsmuster in den Materialien oft gar nicht so zufällig sind. Schaut man sich nur einen sehr kleinen Bereich der Probe an, dann fällt auf, dass bestimmte räumliche Muster immer wieder auftreten. Wann und wie oft aber welches Muster erscheint, lässt sich nicht vorhersagen.

Das Prinzip von Coherent Correlation Imaging zur Abbildung eines zufälligen Prozesses – hier symbolisch eines Münzwurfes. Eine einzelne kurze Aufnahme der Münze ist zu schwach belichtet, um das Bild auf der Münze zu erkennen. Ein neuer Algorithmus kann die Bilder aber sortieren und kombinieren, um daraus Bilder der beiden Seiten der Münze zu entwickeln und zeitlich der Filmaufnahmen zuzuordnen. © Christopher Klose, MBI

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen entwickelten eine neue Methode zur zerstörungsfreien Abbildung, die sie Coherent Correlation Imaging (CCI) nennen: Um ein Video zu erstellen, nehmen sie weiterhin viele Schnappschüsse der Probe hintereinander auf. Dabei verringern sie die Strahlung so weit, dass die Probe intakt bleibt. Das führt allerdings dazu, dass sich in einer einzelnen Aufnahme das Fluktuationsmuster in der Probe nicht mehr erkennen lässt. Die Aufnahmen enthalten aber immer noch genügend Informationen, um sie voneinander zu unterscheiden und in Gruppen einzuteilen. Dafür musste das Team erst einen neuen Algorithmus entwickeln, der die Korrelationen zwischen den Aufnahmen analysiert – daher der Name der Methode. Die Aufnahmen in jeder Gruppe ähneln sich stark und stammen deshalb mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit von einem bestimmten Fluktuationsmuster. Erst in der Zusammenschau aller in einer Gruppe zusammengefassten Aufnahmen entwickelt sich ein scharfes Bild der Probe. Die WissenschaftlerInnen können nun den Film zurückspulen und jeder Aufnahme ein scharfes Bild des Zustands der Probe zu diesem Zeitpunkt zuordnen.

Karte der Grenzen zwischen den magnetischen Domänen, die sich mit der Zeit hin und her bewegen. Die gesamte Karte ist nur ca. 700 Nanometer breit. © Christopher Klose, MBI

Beispiel: Fluktuationen von magnetischen Domänen gefilmt
Mit Hilfe dieser neuen Methode haben die Forschenden ein interessantes Problem aus der Welt des Magnetismus analysiert. Sie schauten sich mikroskopisch kleine Muster an, wie sie in sehr dünnen ferromagnetischen Schichten auftreten. Diese Schichten bilden Domänen aus (Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung). Ähnliche magnetische Schichten werden in heutigen Festplatten eingesetzt, um mit den unterschiedlichen Bereichen die Daten als Bits „0“ und „1“ auf der Festplatte zu kodieren. Bisher glaubte man, dass diese Muster sehr stabil sind. Doch trifft das wirklich zu?

Um dies herauszufinden, untersuchte das Team eine eben solche dünne magnetische Schicht an einer der modernsten Röntgenstrahlungsquellen, der National Synchrotron Light Source II auf Long Island nahe New York, mit der neu entwickelten Methode CCI. Tatsächlich stellten sie fest, dass sich die Muster bei Raumtemperatur nicht ändern. Erhöht man aber die Temperatur nur leicht auf 37°C, fangen die Bereiche an, sich sprunghaft hin- und herzubewegen und sich gegenseitig zu verdrängen. Diesen „Tanz der Domänen“ beobachteten die WissenschaftlerInnen über mehrere Stunden und erstellten im Anschluss eine Art „Landkarte“, die die bevorzugte Lage der Grenzen zwischen den Domänen zeigt. Mit dieser Karte und dem Film der Bewegungen erlauben es nun, die magnetischen Wechselwirkungen in den Materialien besser zu verstehen und diese für zukünftige Anwendungen in neuartigen Computerarchitekturen zu nutzen.

Ausblick
Das nächste Ziel der WissenschaftlerInnen ist es, die neue Abbildungsmethode an Freien-Elektronen-Lasern wie dem European XFEL in Hamburg zu nutzen, um Einblicke in noch viel schnellere Prozesse auf den kleinsten Längenskalen zu gewinnen. Sie sind überzeugt, dass ihre Methode dazu beitragen wird, die Rolle von Fluktuationen und stochastischen Prozessen für die Eigenschaften moderner Materialen besser zu verstehen und damit auch neue Wege zu entdecken, wie sie sich gezielt nutzen lassen.

Publikation
Christopher Klose, Felix Büttner, Wen Hu, Claudio Mazzoli, Kai Litzius, Riccardo Battistelli, Ivan Lemesh, Jason M. Bartell, Mantao Huang, Christian M. Günther, Michael Schneider, Andi Barbour, Stuart B. Wilkins, Geoffrey S. D. Beach, Stefan Eisebitt and Bastian Pfau: Coherent correlation imaging for resolving fluctuating states of matter; Nature (online) (2023); doi: 10.1038/s41586-022-05537-9, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05537-9

Quelle: Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

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